WO2009107418A1 - タービンディスク及びガスタービン - Google Patents

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cooling
turbine
turbine disk
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cooling hole
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橋本 真也
謙一 荒瀬
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • F01D5/087Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor in the radial passages of the rotor disc
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/323Locking of axial insertion type blades by means of a key or the like parallel to the axis of the rotor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/94Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the present invention provides, for example, a gas turbine that supplies fuel to compressed high-temperature and high-pressure air to burn, and supplies the generated combustion gas to the turbine to obtain rotational power.
  • the present invention relates to a turbine disk provided with a plurality of rotor blades, and a gas turbine having the turbine disk.
  • the gas turbine is composed of a compressor, a combustor, and a turbine.
  • the air taken in from the air intake port is compressed by the compressor to become high-temperature and high-pressure compressed air.
  • fuel is supplied to the compressed air and burned.
  • High-temperature and high-pressure combustion gas drives the turbine, and drives a generator connected to the turbine.
  • the turbine is configured by alternately arranging a plurality of stationary blades and moving blades in a vehicle interior, and drives the moving blades with combustion gas to rotationally drive the output shaft connected to the generator.
  • the combustion gas that has driven the turbine is converted to static pressure by the diffuser in the exhaust casing and then released to the atmosphere.
  • a cooling passage is formed inside the stationary blade and the moving blade, and a cooling medium such as air or steam is allowed to flow through the cooling passage, thereby cooling the stationary blade and the moving blade to improve heat resistance.
  • the combustion gas is heated to increase the output and efficiency.
  • a plurality of moving blade bodies having cooling passages formed therein are fixed side by side in the circumferential direction on the outer peripheral portion of the turbine disk.
  • a cooling hole is formed along the radial direction, and the tip of the cooling hole communicates with the cooling passage of the rotor blade body. Then, a cooling medium is supplied from the base end portion to the cooling hole, and flows into the cooling passage through the cooling hole to cool the rotor blade body.
  • a plurality of moving blades receive combustion gas and rotate at a high speed, and therefore, tensile stress acts by centrifugal force.
  • the turbine disk has the same number of cooling holes as the rotor blade body, the tensile stress acting on the turbine disk is concentrated near the cooling hole. .
  • the durability of the turbine disk becomes insufficient, and measures such as using a high-strength material or increasing the thickness are required, leading to an increase in cost.
  • This invention solves the subject mentioned above, and aims at providing the turbine disk and gas turbine which aim at the improvement of durability by relieving stress concentration.
  • a turbine disk is a turbine disk that is rotatably supported and has a plurality of rotor blades juxtaposed in the circumferential direction on the outer peripheral portion.
  • a plurality of first cooling holes penetrating toward the cooling passage and communicating with the cooling passages inside the rotor blades are juxtaposed in the circumferential direction, and are located between the first cooling holes and are located outside the turbine disk from the inside to the outside.
  • a second cooling hole penetrating toward the surface is provided.
  • the cooling gas can be supplied from the base ends of the first cooling hole and the second cooling hole, and the tip ends of the first cooling hole and the second cooling hole are provided. It communicates with the radial direction communication path provided along the circumferential direction.
  • the fitting protrusions of the moving blades are fitted into a large number of fitting grooves arranged in parallel in the circumferential direction on the outer peripheral portion, so that the shaft along the axial direction extends between the two gaps.
  • a direction communication passage is provided, and the first cooling hole is provided in the axial direction communication passage in a circumferential direction, and a tip portion communicates with the radial direction communication passage and the axial direction communication passage.
  • the two cooling holes are provided between the first cooling holes in the circumferential direction, and have a tip portion closed and communicated with the radial communication path.
  • both ends of the axial communication path are closed by seal pieces.
  • the turbine disk of the invention of claim 5 is characterized in that the radial communication path is provided in an annular shape by closing a ring-shaped communication groove by a seal ring.
  • a gas turbine according to a sixth aspect of the present invention is a gas turbine in which fuel is supplied to a compressed air compressed by a compressor and burned by a combustor, and rotational power is obtained by supplying the generated combustion gas to the turbine.
  • the turbine includes a turbine disk that is rotatably supported, and a plurality of rotor blades that are circumferentially arranged on an outer peripheral portion of the turbine disk and provided with cooling passages therein.
  • a plurality of first cooling holes penetrating from the inside to the outside of the disk and communicating with the cooling passage are arranged side by side in the circumferential direction, and are positioned between the first cooling holes from the inside of the turbine disk.
  • a second cooling hole penetrating toward the outside is provided.
  • the plurality of first cooling holes penetrating from the inner side to the outer side of the turbine disk and communicating with the cooling passages inside the rotor blades are juxtaposed in the circumferential direction.
  • a second cooling hole is provided between the first cooling holes and penetrating from the inside to the outside of the turbine disk. Therefore, in the turbine disk, the first cooling holes and the second cooling holes are alternately arranged in parallel, and the distance between the plurality of cooling holes in the circumferential direction is reduced, and acts on the periphery of each cooling hole during rotation. Stress concentration can be relaxed. In addition, the weight can be reduced by providing the second cooling hole, and as a result, the durability can be improved.
  • the cooling gas can be supplied from the base end portions of the first cooling hole and the second cooling hole, and the tip ends of the first cooling hole and the second cooling hole are circumferentially arranged. It communicates with the radial direction communication path provided along. Accordingly, the cooling gas is supplied from the first cooling hole and the second cooling hole to the cooling passage of the moving blade through the radial communication passage. As a result, the pressure loss can be reduced by increasing the passage area of the cooling gas, and the cooling efficiency of the rotor blade can be improved.
  • the fitting protrusions of the moving blades are fitted into a large number of fitting grooves arranged in parallel in the circumferential direction on the outer peripheral portion, so that the gap between them is along the axial direction.
  • An axial communication passage is provided, a first cooling hole is provided in the axial communication passage corresponding to the circumferential direction, a tip portion is communicated with the radial communication passage and the axial communication passage, and a second cooling hole is provided in the circumferential direction. It is provided between the first cooling holes, closes the tip, and communicates with the radial communication path.
  • the first cooling hole and the second cooling hole can be provided at appropriate positions, and the cooling gas can be efficiently supplied to the cooling passage of the rotor blade, thereby simplifying the structure.
  • both end portions of the axial communication path are closed by the seal pieces.
  • the radial direction communication path is provided in an annular shape by closing the ring-shaped communication groove with the seal ring.
  • the turbine includes a compressor, a combustor, and a turbine.
  • the turbine disk is rotatably supported as a turbine, and the turbine disk is arranged in parallel in the circumferential direction on the outer peripheral portion of the turbine disk.
  • a plurality of moving blades provided with cooling passages in the turbine disk, and a plurality of first cooling holes penetrating from the inside to the outside of the turbine disk and communicating with the cooling passage in the turbine disk.
  • a second cooling hole is provided between the first cooling holes and penetrates from the inside to the outside of the turbine disk.
  • the first cooling holes and the second cooling holes are alternately arranged, and the distance between the plurality of cooling holes in the circumferential direction is reduced, and the stress acting on the periphery of each cooling hole during rotation is reduced. Concentration can be relaxed, and by providing the second cooling hole, it is possible to reduce the weight and improve durability. As a result, turbine output and efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic view of a turbine upstream portion of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the main part of the turbine disk in the gas turbine of the present embodiment.
  • 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the rotor blade in the gas turbine of the present embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the diameter and interval of the cooling holes and the stress concentration factor.
  • FIG. 7 is a graph showing a stress concentration factor with respect to the diameter and interval of the cooling holes.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the gas turbine of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a modification of the turbine disk in the gas turbine of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view of a turbine upstream portion of a gas turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a front view of a main part of a turbine disk in the gas turbine of the present embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a moving blade in the gas turbine of this embodiment
  • FIG. 7 is a graph showing a stress concentration coefficient with respect to the diameter and interval of the cooling holes
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the gas turbine of this embodiment
  • FIG. 9 is a gas turbine of this embodiment. It is the schematic showing the modification of the turbine disk in.
  • the gas turbine of this embodiment includes a compressor 11, a combustor 12, a turbine 13, and an exhaust chamber 14, and a generator (not shown) is connected to the turbine 13.
  • the compressor 11 has an air intake port 15 for taking in air, a plurality of stationary blades 17 and moving blades 18 are alternately arranged in a compressor casing 16, and a bleed manifold 19 is provided on the outside thereof.
  • the combustor 12 is combustible by supplying fuel to the compressed air compressed by the compressor 11 and igniting it with a burner.
  • a plurality of stationary blades 21 and moving blades 22 are alternately arranged in a turbine casing 20.
  • the exhaust chamber 14 has an exhaust diffuser 23 that is continuous with the turbine 13.
  • a rotor (turbine shaft) 24 is positioned so as to pass through the center of the compressor 11, the combustor 12, the turbine 13, and the exhaust chamber 14, and an end portion on the compressor 11 side is freely rotatable by a bearing portion 25.
  • the end portion on the exhaust chamber 14 side is rotatably supported by the bearing portion 26.
  • a plurality of disks are fixed to the rotor 24, the rotor blades 18 and 22 are fixed, and a drive shaft of a generator (not shown) is connected to an end portion on the exhaust chamber 14 side.
  • the air taken in from the air intake port 15 of the compressor 11 passes through the plurality of stationary blades 21 and the moving blades 22 and is compressed to become high-temperature and high-pressure compressed air.
  • a predetermined fuel is supplied to the compressed air in the combustor 12 and burned.
  • the high-temperature and high-pressure combustion gas that is the working fluid generated in the combustor 12 passes through the plurality of stationary blades 21 and the moving blades 22 constituting the turbine 13 to drive and rotate the rotor 24.
  • the generator connected to 24 is driven.
  • the exhaust gas is converted to static pressure by the exhaust diffuser 23 in the exhaust chamber 14 and then released to the atmosphere.
  • the turbine casing 20 is provided with stationary blades 21a, 21b,... Along the fuel gas flow direction (arrow direction in FIG. 1). .. Are provided at equal intervals along the circumferential direction of the turbine casing 20.
  • turbine disks 31a, 31b,... are connected to the rotor 24 (see FIG. 8) so as to be integrally rotatable along the axial direction thereof.
  • the rotor blades 22a, 22b... are fixed to the outer peripheral portions of the turbine disks 31a, 31b. .. Are provided at equal intervals along the circumferential direction of each turbine disk 31a, 31b.
  • the turbine disk 31a has a disk shape, and a plurality of fitting grooves 32 along the axial direction are formed in the outer circumferential portion at equal intervals in the circumferential direction.
  • An axial communication groove 33 is formed integrally with the fitting groove 32 below each fitting groove 32.
  • the rotor blade main body 35 is erected integrally with the upper surface of the platform 34.
  • a blade root portion (fitting protrusion) 36 that can be fitted into the fitting groove 32 is formed integrally with the lower portion of the platform 34.
  • a projecting portion 36 a that projects to one side in the axial direction is formed integrally with the lower portion of the blade root portion 36.
  • the turbine disk 31a has a circumferential flange portion 37 having a ring shape on one side (front edge side) in the axial direction.
  • the circumferential flange portion 37 is formed with a notch 38 that is positioned linearly with each axial communication groove 33.
  • the projecting portion 36a of the blade root portion 36 can be fitted into the cutout portion 38 of the turbine disk 31a, and the seal piece 39 can be fitted.
  • the blade root portion 36 is slidably fitted into the fitting groove 32 and attached to the turbine disk 31a to the plurality of moving blades 22a. If it demonstrates using FIG. 3, the axial direction communication path 40 will be comprised by forming a clearance gap between the lower surface of the blade root part 36, and the axial direction communication groove 33 at this time.
  • the axial communication passage 40 communicates with a cooling passage 41 formed inside the rotor blade 22a.
  • the protrusion part 36a of the blade root part 36 fits in the notch part 38 of the turbine disc 31a, and the seal piece 39 fits from the outer side, A part of one side of the axial direction communication path 40 is obstruct
  • the seal piece 39 has a hook 39a bent upward from the horizontal.
  • the hook 39a is engaged with the notch 36b of the blade root portion 36 in a state where the seal piece 39 is fitted to the notch 38, thereby preventing the seal piece 39 from falling off.
  • the axial communication path 40 is closed by fitting a seal piece (not shown) on the other side (rear edge side).
  • a plurality of first cooling holes 42 penetrating from the inner side to the outer side of the turbine disk and communicating with the cooling passage 41 of each rotor blade 22a are provided side by side in the circumferential direction.
  • a plurality of second cooling holes 43 that are located between the first cooling holes 42 and penetrate from the inside to the outside of the turbine disk are provided in the turbine disk 31a in the circumferential direction.
  • the first cooling hole 42 is provided corresponding to the axial communication path 40, and a base end thereof opens to the inside of the turbine casing 20, while a distal end thereof is communicated with the axial communication path 40. Referring to FIG. 4, the base end of the second cooling hole 43 opens to the inside of the turbine casing 20, similarly to the first cooling hole 42.
  • the front end portion of the second cooling hole 43 passes through the circumferential flange portion 37 and is closed by fitting the plug 44.
  • the turbine disk 31a is formed with a radial communication groove 45 having a ring shape in the flat portion on the outer peripheral side.
  • An annular radial communication passage 47 is formed by fixing and closing the seal ring 46 on the opening side of the radial communication groove 45.
  • the radial communication groove 45 intersects and communicates with each first cooling hole 42 and each second cooling hole 43.
  • the seal ring 46 has a threaded portion 46 a that is screwed into the threaded portion 45 a of the radial communication groove 45 on the inner peripheral portion.
  • a plurality of positioning projections 46b that can contact the bottom 45b of the radial communication groove 45 are formed at predetermined intervals in the circumferential direction on the side surface of the radial communication path.
  • the seal ring 46 is rotated so that the screw portion 46 a is screwed with the screw portion 45 a, and the positioning protrusion 46 b is abutted against the bottom portion 45 b of the radial communication groove 45, so that the seal ring 46 is positioned and fixed, and the radial communication passage 47. Is formed.
  • the first cooling hole 42 and the second cooling hole 43 are communicated with each other through the radial communication path 47.
  • the radial communication path 47 is communicated with the axial communication path 40.
  • a space portion 52 defined by a turbine disk 31 a and a cover 51 is provided inside the turbine casing 20. Cooling air extracted and cooled from the compressor 11 is supplied to the space 52. The compressed air compressed by the compressor 11 (see FIG. 8) is sent to a cooler (not shown), cooled to a predetermined temperature, and then sent to the space 52. Cooling air (cooling gas) sent to the space 52 is sucked into the cooling holes 42 and 43 through the throttle 53.
  • the cooling air is supplied to the axial communication path 40 through the first cooling holes 42, and the radial communication path 47 through the second cooling holes 43. To the axial communication passage 40. By supplying this cooling air from the axial communication path 40 to the cooling path 41, the moving blade 22a is cooled.
  • the first cooling holes 42 and the second cooling holes 43 are alternately formed along the circumferential direction, whereby the distance between the cooling holes 42 and 43 is shortened, and the stress concentration is reduced.
  • the inner diameter of the cooling holes 42 and 43 is a
  • the center distance between the adjacent cooling holes 42 and 43 is b
  • the stress concentration coefficient is ⁇ .
  • the stress concentration coefficient ⁇ tends to decrease as a / b increases.
  • the stress concentration factor sigma 1 for a 1 / b 1 is higher.
  • the turbine disk 31a of the present embodiment is solidified to the rotor 24.
  • the rotor 24 is rotatably supported.
  • a plurality of rotor blades 22a are juxtaposed in the circumferential direction on the outer periphery of the turbine disk 31a.
  • first cooling holes 42 penetrating from the inner side to the outer side of the turbine disk and communicating with the cooling passage 41 inside the rotor blade 22a are provided side by side in the circumferential direction.
  • the second cooling holes 43 are located between the first cooling holes 42 and penetrate from the inside to the outside of the turbine disk.
  • the first cooling holes 42 and the second cooling holes 43 are alternately arranged in the circumferential direction, and the distance between the plurality of cooling holes 42 and 43 in the circumferential direction is reduced. Therefore, the stress concentration acting on the periphery of the cooling holes 42 and 43 when the rotor rotates can be alleviated. Further, by newly providing the second cooling hole 43, the turbine disk 31a can be reduced in weight. As a result, it is possible to improve the durability of the turbine disk 31a.
  • the cooling gas can be supplied from the base ends of the first cooling hole 42 and the second cooling hole 43, and the distal ends of the first cooling hole 42 and the second cooling hole 43 are provided. It communicates with a radial communication passage 47 provided along the circumferential direction, and supplies the cooling gas from the first cooling hole 42 and the second cooling hole 43 to the cooling passage 41 of the moving blade 22a through the radial communication passage 47. .
  • the pressure loss can be reduced by increasing the passage area of the cooling gas, and the cooling efficiency of the rotor blade 22a can be improved.
  • the blade root portions 36 of the rotor blades 22a are fitted into a large number of fitting grooves 32 arranged in parallel in the circumferential direction on the outer peripheral portion, so that the gap between them is aligned along the axial direction.
  • An axial communication passage 40 is provided, a first cooling hole 42 is provided in the axial communication passage 40 corresponding to the circumferential direction, and a tip portion communicates with the radial communication passage 47 and the axial communication passage 40 while the second cooling.
  • the hole 43 is provided between the first cooling holes 42 in the circumferential direction, the tip is closed by the plug 44 and communicates with the radial communication path 47, and the first cooling hole 42 and the second cooling hole 43 are positioned at appropriate positions.
  • the cooling gas is efficiently supplied to the cooling passage 41 of the rotor blade 22a. It is possible to simplify the structure.
  • both end portions of the axial communication path 40 are closed by the seal pieces 39.
  • the workability of the fitting groove 32 into which the blade root portion 36 of the moving blade 22a is fitted can be improved.
  • the seal piece 39 can appropriately form the leak-free axial communication path 40.
  • the radial communication passage 47 is provided in an annular shape by closing the radial communication groove 45 having a ring shape with the seal ring 46.
  • the workability can be improved by easily configuring the radial communication path 47.
  • the seal ring 46 can form a radial communication path 47 that does not leak.
  • the compressor 11, the combustor 12, and the turbine 13 are configured, and the turbine 13 is rotatably supported by the turbine disks 31 a, 31 b.
  • a plurality of rotor blades 22a, 22b,... Arranged in the circumferential direction on the outer peripheral portion of 31b... And provided with cooling passages 41 therein are provided, and turbine disks 31a, 31b.
  • a plurality of first cooling holes 42 penetrating from the inside to the outside and communicating with the cooling passage 41 are juxtaposed in the circumferential direction, and are positioned between the first cooling holes 42 to be outside from the inside of the turbine disk.
  • the 2nd cooling hole 43 penetrated toward is provided.
  • the first cooling holes 42 and the second cooling holes 43 are alternately arranged in the circumferential direction in the turbine disks 31a, 31b,..., And the distance between the plurality of cooling holes 42, 43 in the circumferential direction. Decrease. The stress concentration acting on the periphery of each cooling hole 42, 43 during rotation can be relaxed. Further, by newly providing the second cooling hole 43, the weight can be reduced and the durability can be improved. As a result, turbine output and efficiency can be improved.
  • the first cooling holes 42 are provided from the inner side to the outer side of the turbine disk 31a, and the second cooling holes 42 are provided between the first cooling holes 42 from the inner side to the outer side of the turbine disk.
  • the cooling hole 43 is provided, it is not limited to this configuration.
  • a plurality of second cooling holes may be provided between the first cooling holes, or the inner diameter of the second cooling holes may be smaller than that of the first cooling holes.
  • the hole shape of the 1st cooling hole 42 and the 2nd cooling hole 43 is not restricted to a perfect circle shape, It is good also as unusual shapes, such as elliptical shape.
  • providing the first cooling holes 42 and the second cooling holes 43 from the inside to the outside of the turbine disk may be provided so as to be inclined in the axial direction with respect to the circumferential direction, as shown in FIG. Relaxation of stress concentration at the opening of the cooling hole can be realized outside the rotor disk.
  • the second cooling hole of the present invention has been described as the second cooling hole 43 provided between the first cooling holes 42 of the turbine disk 31a.
  • the second cooling hole may have a closed end without providing the directional communication passage 47. Even in this case, the stress concentration acting on the turbine disk can be reduced and the weight can be reduced. it can.
  • the turbine disk and gas turbine according to the present invention are intended to improve durability by reducing stress concentration acting on the turbine disk, and can be applied to any kind of gas turbine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

 タービンディスク及びガスタービンにおいて、ロータ(24)に固結されることで回転自在に支持し、外周部に複数の動翼(22a)を周方向に並設し、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して動翼(22a)の内部の冷却通路(41)に連通する第1冷却孔(42)を周方向に並設すると共に、各第1冷却孔(42)の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔(43)を設け、第1冷却孔(42)と第2冷却孔(43)を径方向連通路(47)により連通することで、応力集中を緩和させて耐久性の向上を図る。

Description

タービンディスク及びガスタービン
 本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、回転自在に支持されて外周部に複数の動翼が設けられるタービンディスク、並びに、このタービンディスクを有するガスタービンに関する。
 ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料が供給され燃焼される。高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。
 ガスタービンは、近年、高出力化及び高効率化が求められており、静翼及び動翼に導かれる燃焼ガスの温度はますます高くなる傾向にある。そのため、一般的には、静翼及び動翼の内部に冷却通路を形成し、空気や蒸気などの冷却媒体をこの冷却通路に流すことで、この静翼及び動翼を冷却して耐熱性を確保すると共に、燃焼ガスの高温化を図り、出力及び効率を高めるようにしている。
 例えば、動翼では、内部に冷却通路を形成した複数の動翼本体がタービンディスクの外周部に周方向に並んで固定される。タービンディスクでは、径方向に沿って冷却孔を形成され、この冷却孔の先端部は動翼本体の冷却通路に連通している。そして、冷却媒体が冷却孔に対して基端部から供給され、この冷却孔を通して冷却通路に流され、動翼本体を冷却している。
 このタービンの冷却構造としては、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。
特開平8-218804号公報
 ところで、タービンディスクは、複数の動翼が燃焼ガスを受けて高回転することから、遠心力により引張応力が作用する。上述した従来のタービンの冷却構造にて、タービンディスクには、動翼本体と同数の冷却孔が形成されているため、タービンディスクに作用する引張応力は、冷却孔の近傍でその応力が集中する。その結果、タービンディスクの耐久性が不十分となり、高強度の材料を使用したり、厚さを厚くしたりするなどの対策が必要となり、高コスト化を招いてしまうという問題がある。
 本発明は上述した課題を解決するものであり、応力集中を緩和させることで耐久性の向上を図るタービンディスク及びガスタービンを提供することを目的とする。
 上記の目的を達成するための請求項1の発明のタービンディスクは、回転自在に支持されて外周部に複数の動翼が周方向に並設されるタービンディスクにおいて、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して前記各動翼内部の冷却通路に連通する複数の第1冷却孔が周方向に並設されると共に、前記各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔が設けられる、ことを特徴とするものである。
 請求項2の発明のタービンディスクでは、前記第1冷却孔と前記第2冷却孔の基端部から冷却ガスを供給可能であると共に、前記第1冷却孔と前記第2冷却孔の先端部が周方向に沿って設けられた径方向連通路により連通されることを特徴としている。
 請求項3の発明のタービンディスクでは、外周部に周方向に並設された多数の嵌合溝に前記各動翼の嵌合突起が嵌合することで、両者の隙間に軸方向に沿う軸方向連通路が設けられ、前記第1冷却孔は、前記軸方向連通路に周方向に対応して設けられ、先端部が前記径方向連通路及び前記軸方向連通路に連通する一方、前記第2冷却孔は、周方向における前記第1冷却孔の間に設けられ、先端部が閉塞されると共に前記径方向連通路に連通することを特徴としている。
 請求項4の発明のタービンディスクでは、前記軸方向連通路は、両端部がシールピースにより閉塞されることを特徴としている。
 請求項5の発明のタービンディスクでは、前記径方向連通路は、リング形状をなす連通溝がシールリングにより閉塞されることで環状に設けられることを特徴としている。
 また、請求項6の発明のガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、前記タービンは、回転自在に支持されるタービンディスクと、該タービンディスクの外周部に周方向に並設されて内部に冷却通路が設けられる複数の動翼とを有し、前記タービンディスクに、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して前記冷却通路に連通する複数の第1冷却孔が周方向に並設されると共に、前記各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔が設けられる、ことを特徴とするものである。
 請求項1の発明のタービンディスクによれば、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して各動翼内部の冷却通路に連通する複数の第1冷却孔を周方向に並設すると共に、各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔を設けている。従って、タービンディスクは、第1冷却孔と第2冷却孔とが交互に並設されることとなり、周方向における複数の冷却孔間の距離が減少し、回転時に各冷却孔の周辺に作用する応力集中を緩和させることができる。また、第2冷却孔を設けることで軽量化が可能となり、その結果、耐久性の向上を図ることができる。
 請求項2の発明のタービンディスクによれば、第1冷却孔と第2冷却孔の基端部から冷却ガスを供給可能とすると共に、第1冷却孔と第2冷却孔の先端部を周方向に沿って設けられた径方向連通路により連通する。従って冷却ガスを第1冷却孔及び第2冷却孔から径方向連通路を通して動翼の冷却通路に供給することとなる。その結果、冷却ガスの通路面積を拡大することで圧力損失を低減することができ、動翼の冷却効率を向上することができる。
 請求項3の発明のタービンディスクによれば、外周部に周方向に並設された多数の嵌合溝に各動翼の嵌合突起を嵌合することで、両者の隙間に軸方向に沿う軸方向連通路を設け、第1冷却孔を軸方向連通路に周方向に対応して設け、先端部を径方向連通路及び軸方向連通路に連通する一方、第2冷却孔を周方向における第1冷却孔の間に設け、先端部を閉塞すると共に径方向連通路に連通する。その結果、第1冷却孔と第2冷却孔を適正位置に設け、冷却ガスを効率的に動翼の冷却通路に供給することができ、構造の簡素化を可能とすることができる。
 請求項4の発明のタービンディスクによれば、軸方向連通路の両端部をシールピースにより閉塞する。その結果、動翼の嵌合突起が嵌合する嵌合溝の加工性を向上することができ、シールピースにより漏れのない軸方向連通路を適正に形成することができる。
 請求項5の発明のタービンディスクによれば、径方向連通路を、リング形状をなす連通溝をシールリングにより閉塞することで環状に設ける。その結果、径方向連通路を容易に構成することで加工性を向上することができ、シールリングにより漏れのない径方向連通路を適正に形成することができる。
 請求項6の発明のガスタービンによれば、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成し、タービンとして、回転自在に支持されるタービンディスクと、タービンディスクの外周部に周方向に並設されて内部に冷却通路が設けられる複数の動翼とを設け、タービンディスクに、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して冷却通路に連通する複数の第1冷却孔を周方向に並設すると共に、各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔を設けている。従って、タービンディスクは、第1冷却孔と第2冷却孔とが交互に並設されることとなり、周方向における複数の冷却孔の距離が減少し、回転時に各冷却孔の周辺に作用する応力集中を緩和させることができ、また、第2冷却孔を設けることで軽量化が可能となり、耐久性の向上を図ることができる。その結果、タービン出力及び効率を向上することができる。
図1は、本発明の一実施例に係るガスタービンにおけるタービン上流部の概略図である。 図2は、本実施例のガスタービンにおけるタービンディスクの要部正面図である。 図3は、図2のIII-III断面図である。 図4は、図2のIV-IV断面図である。 図5は、本実施例のガスタービンにおける動翼の分解斜視図である。 図6は、冷却孔の径と間隔と応力集中係数との関係を表す説明図である。 図7は、冷却孔の径及び間隔に対する応力集中係数を表すグラフである。 図8は、本実施例のガスタービンの概略構成図である。 図9は、本実施例のガスタービンにおけるタービンディスクの変形例を表す概略図である。
符号の説明
 11 圧縮機
 12 燃焼器
 13 タービン
 14 排気室
 21,21a,21b・・・ 静翼
 22,22a,22b・・・ 動翼
 31a,31b・・・ タービンディスク
 32 嵌合溝
 36 翼根部(嵌合突起)
 39 シールピース
 40 軸方向連通路
 41 冷却通路
 42 第1冷却孔
 43 第2冷却孔
 44 プラグ
 46 シールリング
 47 径方向連通路
 以下に添付図面を参照して、本発明に係るタービンディスク及びガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
 図1は、本発明の一実施例に係るガスタービンにおけるタービン上流部の概略図、図2は、本実施例のガスタービンにおけるタービンディスクの要部正面図、図3は、図2のIII-III断面図、図4は、図2のIV-IV断面図、図5は、本実施例のガスタービンにおける動翼の分解斜視図、図6は、冷却孔の径と間隔と応力集中係数との関係を表す説明図、図7は、冷却孔の径及び間隔に対する応力集中係数を表すグラフ、図8は、本実施例のガスタービンの概略構成図、図9は、本実施例のガスタービンにおけるタービンディスクの変形例を表す概略図である。
 本実施例のガスタービンは、図8に示すように、圧縮機11と燃焼器12とタービン13と排気室14により構成され、このタービン13に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機11は、空気を取り込む空気取入口15を有し、圧縮機車室16内に複数の静翼17と動翼18が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド19が設けられている。燃焼器12は、圧縮機11で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン13は、タービン車室20内に複数の静翼21と動翼22が交互に配設されている。排気室14は、タービン13に連続する排気ディフューザ23を有している。また、圧縮機11、燃焼器12、タービン13、排気室14の中心部を貫通するようにロータ(タービン軸)24が位置しており、圧縮機11側の端部が軸受部25により回転自在に支持される一方、排気室14側の端部が軸受部26により回転自在に支持されている。そして、このロータ24には、複数のディスクが固定され、各動翼18,22が固定されると共に、排気室14側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
 圧縮機11の空気取入口15から取り込まれた空気が、複数の静翼21と動翼22を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器12にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され燃焼する。そして、この燃焼器12で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン13を構成する複数の静翼21と動翼22を通過することでロータ24を駆動回転し、このロータ24に連結された発電機を駆動する。排気ガスは排気室14の排気ディフューザ23で静圧に変換されてから大気に放出される。
 上述したタービン13において、図1に示すように、タービン車室20には、燃料ガスの流れ方向(図1の矢印方向)に沿って静翼21a,21b・・・が配設されている。各静翼21a,21b・・・は、タービン車室20の周方向に沿って均等間隔で複数設けられている。また、ロータ24(図8参照)には、その軸方向に沿ってタービンディスク31a,31b・・・が一体回転可能に連結されている。この各タービンディスク31a,31b・・・の外周部に動翼22a,22b・・・が固定されている。各動翼22a,22b・・・は、各タービンディスク31a,31b・・・の周方向に沿って均等間隔で複数設けられている。
 図5にて、タービンディスク31aは、円盤形状をなし、外周部に軸方向に沿った嵌合溝32が周方向に均等間隔で複数形成される。各嵌合溝32の下部にこの嵌合溝32と一体に軸方向連通溝33が形成されている。動翼22aは、プラットホーム34の上部に動翼本体35が一体に立設される。プラットホーム34の下部に嵌合溝32に嵌合可能な翼根部(嵌合突起)36が一体に形成される。この翼根部36の下部には、軸方向の一方側に突出する突出部36aが一体に形成されている。
 タービンディスク31aは、軸方向の一方側(前縁側)にリング形状をなす円周フランジ部37が形成されている。この円周フランジ部37には、各軸方向連通溝33と直線上に位置して切欠部38がそれぞれ形成されている。タービンディスク31aの切欠部38に翼根部36の突出部36aが嵌合可能であると共に、シールピース39が嵌合可能となっている。
 複数の動翼22aには、翼根部36が嵌合溝32にスライド嵌合してタービンディスク31aに装着される。図3を用いて説明すると、このとき、翼根部36の下面と軸方向連通溝33との間に隙間が形成されることで、軸方向連通路40が構成される。この軸方向連通路40には、動翼22aの内部に形成された冷却通路41が連通している。そして、タービンディスク31aの切欠部38に翼根部36の突出部36aが嵌合するし、その外側からシールピース39が嵌合することで、軸方向連通路40の一方側の一部が閉塞される。このシールピース39は、水平から上方に屈曲するフック39aを有しており、切欠部38に嵌合した状態で、このフック39aが翼根部36の切欠36bに係止することで脱落が阻止される。なお、軸方向連通路40は、他方側(後縁側)にも図示しないシールピースが嵌合することで閉塞される。
 タービンディスク31aには、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して各動翼22aの冷却通路41に連通する第1冷却孔42が周方向に複数並設されている。また、タービンディスク31aには、この第1冷却孔42の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔43が周方向に複数並設されている。この第1冷却孔42は、軸方向連通路40に対応して設けられ、その基端部がタービン車室20の内側に開口する一方、先端部が軸方向連通路40に連通されている。図4を参照すると、第2冷却孔43は、その基端部が、第1冷却孔42と同様に、タービン車室20の内側に開口する。第2冷却孔43の先端部は円周フランジ部37を貫通し、プラグ44が嵌着されることで閉塞されている。
 図3乃至図5を参照すると、タービンディスク31aには、外周部側の平面部にリング形状をなす径方向連通溝45が形成されている。この径方向連通溝45の開口部側にシールリング46が固定されて閉塞されることで、環状をなす径方向連通路47が形成される。この径方向連通溝45は、各第1冷却孔42及び各第2冷却孔43と交差して連通している。図3と図4に表されているように、シールリング46は、内周部に、径方向連通溝45のねじ部45aに螺合するねじ部46aが形成されている。径方向連通路側面に径方向連通溝45の底部45bに当接可能な位置決め突起46bが周方向に所定間隔で複数形成されている。
 従って、シールリング46は、ねじ部46aをねじ部45aに螺合するように回転し、位置決め突起46bが径方向連通溝45の底部45bに当接することで、位置決め固定され、径方向連通路47が形成される。第1冷却孔42と第2冷却孔43は、各先端部がこの径方向連通路47により連通される。径方向連通路47は軸方向連通路40に連通される。
 なお、ここでは、1段目の動翼22a及びタービンディスク31aについて説明したが、2段目以降の動翼22b・・・及びタービンディスク31b・・・についても同様の構成となっている。
 ところで、図1を参照すると、タービン車室20の内側には、タービンディスク31aとカバー51により区画された空間部52が設けられている。この空間部52には、圧縮機11から抽気し冷却した冷却空気が供給されている。圧縮機11(図8参照)で圧縮された圧縮空気は、クーラ(図示しない)に送られ、所定温度まで冷却されてから空間部52に送られる。この空間部52に送られた冷却空気(冷却ガス)は、絞り部53を通して各冷却孔42,43に吸入されることとなる。
 このように構成された本実施例のタービン13において、冷却空気は、第1冷却孔42を通って軸方向連通路40に供給されると共に、第2冷却孔43を通って径方向連通路47から軸方向連通路40に供給される。この冷却空気が軸方向連通路40から冷却通路41に供給されることで、動翼22aが冷却される。
 タービンディスク31aは、周方向に沿って第1冷却孔42と第2冷却孔43が交互に形成されることで、冷却孔42,43間の距離が短縮されることとなり、応力集中が低減される。図6のように、冷却孔42,43の内径をa、隣接する冷却孔42,43の中心距離をb、応力集中係数をσとする。応力集中係数σは、図7に表されるように、a/bが大きくなるほど小さくなる傾向にある。第1冷却孔だけが形成された従来のタービンディスクでは、隣接する第1冷却孔の中心距離bが長いことから、a/bに対する応力集中係数σは高くなる。一方、第1冷却孔42と第2冷却孔43が交互に形成された本実施例のタービンディスク31aでは、隣接する冷却孔42,43の中心距離bが短いことから、a/bに対する応力集中係数σが低減される。
 このように本実施例のタービンディスク31aは、ロータ24に固結されている。このロータ24は回転自在に支持される。タービンディスク31aの外周部に複数の動翼22aが周方向に並設される。タービンディスク31a内部には、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通し、動翼22aの内部の冷却通路41に連通する第1冷却孔42を周方向に並設する。第2冷却孔43は、各第1冷却孔42の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する。
 従って、タービンディスク31aは、第1冷却孔42と第2冷却孔43とが周方向に交互に並設されることとなり、周方向における複数の冷却孔42,43の距離が減少する。そのためロータの回転時に各冷却孔42,43の周辺に作用する応力集中を緩和させることができる。また、新たに第2冷却孔43を設けることでタービンディスク31aの軽量化が可能となる。その結果、タービンディスク31aの耐久性の向上を図ることができる。
 また、本実施例のタービンディスクでは、第1冷却孔42と第2冷却孔43の基端部から冷却ガスを供給可能とすると共に、第1冷却孔42と第2冷却孔43の先端部を周方向に沿って設けられた径方向連通路47により連通しており、冷却ガスを第1冷却孔42及び第2冷却孔43から径方向連通路47を通して動翼22aの冷却通路41に供給する。その結果、冷却ガスの通路面積を拡大することで圧力損失を低減することができ、動翼22aの冷却効率を向上することができる。
 また、本実施例のタービンディスクでは、外周部に周方向に並設された多数の嵌合溝32に各動翼22aの翼根部36を嵌合することで、両者の隙間に軸方向に沿う軸方向連通路40を設け、第1冷却孔42を軸方向連通路40に周方向に対応して設け、先端部を径方向連通路47及び軸方向連通路40に連通する一方、第2冷却孔43を周方向における第1冷却孔42の間に設け、先端部をプラグ44により閉塞すると共に径方向連通路47に連通しており、第1冷却孔42と第2冷却孔43を適正位置に設け、冷却ガスを効率的に動翼22aの冷却通路41に供給する。構造の簡素化を可能とすることができる。
 また、本実施例のタービンディスクでは、軸方向連通路40の両端部をシールピース39により閉塞している。動翼22aの翼根部36が嵌合する嵌合溝32の加工性を向上することができる。シールピース39により漏れのない軸方向連通路40を適正に形成することができる。
 また、本実施例のタービンディスクでは、径方向連通路47を、リング形状をなす径方向連通溝45をシールリング46により閉塞することで環状に設けている。径方向連通路47を容易に構成することで加工性を向上することができる。シールリング46により漏れのない径方向連通路47を形成することができる。
 また、本実施例のガスタービンにあっては、圧縮機11と燃焼器12とタービン13により構成し、タービン13は回転自在に支持されるタービンディスク31a,31b・・・と、タービンディスク31a,31b・・・の外周部に周方向に並設されて内部に冷却通路41が設けられる複数の動翼22a,22b・・・とを設け、タービンディスク31a,31b・・・には、タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して冷却通路41に連通する複数の第1冷却孔42を周方向に並設すると共に、各第1冷却孔42の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔43を設けている。
 従って、タービンディスク31a,31b・・・には、第1冷却孔42と第2冷却孔43とが周方向に交互に並設されることとなり、周方向における複数の冷却孔42,43の距離が減少する。回転時に各冷却孔42,43の周辺に作用する応力集中を緩和させることができる。また、新たに第2冷却孔43を設けることで軽量化が可能となり、耐久性の向上を図ることができる。その結果、タービン出力及び効率を向上することができる。
 なお、上述した実施例では、タービンディスク31aのタービンディスクの内側から外側に向かって第1冷却孔42を設けると共に、この第1冷却孔42の間にタービンディスクの内側から外側に向かって第2冷却孔43を設けたが、この構成に限定されるものではない。例えば、タービンディスクにて、第1冷却孔の間に複数の第2冷却孔を設けたり、この第2冷却孔の内径を第1冷却孔より小径としたりしてもよい。また、第1冷却孔42と第2冷却孔43の孔形状を真円形状に限らず、楕円形状などの異形状としてもよい。
 更に、第1冷却孔42や第2冷却孔43をタービンディスクの内側から外側に向かって設けることは、図9に示すように、周方向に対して軸方向に傾斜して設けてもよい。ロータディスクの外側において、冷却孔の開口部における応力集中の緩和を実現できる。
 また、上述した実施例では、本発明の第2冷却孔を、タービンディスク31aの第1冷却孔42の間に設けた第2冷却孔43として説明したが、この第2冷却孔43を、径方向連通路47を設けずに先端部が閉塞された第2冷却孔としてもよく、この場合であっても、タービンディスクに作用する応力集中を緩和させることができると共に、軽量化を図ることができる。
 本発明に係るタービンディスク及びガスタービンは、タービンディスクに作用する応力集中を緩和させることで耐久性の向上を図るものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。

Claims (6)

  1.  回転自在に支持されて外周部に複数の動翼が周方向に並設されるタービンディスクにおいて、
     タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して前記各動翼内部の冷却通路に連通する複数の第1冷却孔が周方向に並設されると共に、
     前記各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔が設けられる、
     ことを特徴とするタービンディスク。
  2.  前記第1冷却孔と前記第2冷却孔の基端部から冷却ガスを供給可能であると共に、
     前記第1冷却孔と前記第2冷却孔の先端部が周方向に沿って設けられた径方向連通路により連通されることを特徴とする請求項1に記載のタービンディスク。
  3.  外周部に周方向に並設された多数の嵌合溝に前記各動翼の嵌合突起が嵌合することで、両者の隙間に軸方向に沿う軸方向連通路が設けられ、
     前記第1冷却孔は、前記軸方向連通路に周方向に対応して設けられ、先端部が前記径方向連通路及び前記軸方向連通路に連通する一方、
     前記第2冷却孔は、周方向における前記第1冷却孔の間に設けられ、先端部が閉塞されると共に前記径方向連通路に連通することを特徴とする請求項2に記載のタービンディスク。
  4.  前記軸方向連通路は、両端部がシールピースにより閉塞されることを特徴とする請求項3に記載のタービンディスク。
  5.  前記径方向連通路は、リング形状をなす連通溝がシールリングにより閉塞されることで環状に設けられることを特徴とする請求項2から4のいずれか一つに記載のタービンディスク。
  6.  圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
     前記タービンは、回転自在に支持されるタービンディスクと、該タービンディスクの外周部に周方向に並設されて内部に冷却通路が設けられる複数の動翼とを有し、
     前記タービンディスクに、
     タービンディスクの内側から外側に向かって貫通して前記冷却通路に連通する複数の第1冷却孔が周方向に並設されると共に、
     前記各第1冷却孔の間に位置してタービンディスクの内側から外側に向かって貫通する第2冷却孔が設けられる、
     ことを特徴とするガスタービン。
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