专利名称：涡轮盘及燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉 及涡轮盘以及具有此涡轮盘的燃气轮机，所述涡轮盘例如在对压缩的高 温高压的空气供给燃料进行燃烧且向涡轮供给产生的燃烧气体而获得旋转动力的燃气轮 机中，旋转自如地被支撑并在外周部设置有多个动叶片。
背景技术：
燃气轮机，由压缩机、燃烧器及涡轮所构成。从空气取入口取入的空气通过压缩机 压缩而成为高温高压的压缩空气。利用燃烧器对该压缩空气供给燃料进行燃烧。高温高压 的燃烧气体驱动涡轮，驱动与该涡轮连接的发电机。涡轮由机室内多个静叶片及动叶片交 替配置而构成，通过由燃烧气体驱动动叶片来驱动发动机所连接的输出轴旋转。而且，驱动 涡轮的燃烧气体，经排气机室的扩散器转换成静压后排出到大气中。燃气轮机，近年来有追求高输出化及高效率化、被导向静叶片及动叶片的燃烧气 体的温度变得越来越高的倾向。因此，一般情况下，在静叶片及动叶片的内部形成冷却通 路，通过使空气和蒸汽等冷却媒质流入到该冷却通路，冷却该静叶片及动叶片，确保耐热 性，并且，实现燃烧气体的高温化，提高输出及效率。例如，在动叶片中，在内部形成冷却通路的多个动叶片主体沿圆周方向并列固定 在涡轮盘的外周部。在涡轮盘中，沿径向形成冷却孔，该冷却孔的前端部与动叶片主体的冷 却通路连通。而且，冷却媒质相对于冷却孔从基端部被供给，通过该冷却孔流入到冷却通 路，冷却动叶片主体。作为该涡轮的冷却构造，例如，有下述专利文献1所述技术。专利文献1 (日本)特开8-218804号公报但是，涡轮盘因为多个动叶片接受燃烧气体进行高速旋转，拉伸应力通过离心力 产生作用。在所述以往的涡轮的冷却构造中，涡轮盘上形成动叶片主体和同数的冷却孔，因 此，作用于涡轮盘的拉伸应力，该应力在冷却孔的附近集中。其结果是，涡轮盘的耐久性变 得不充分，使用高强度的材料或使厚度变厚等对策成为必要，存在引起高成本化的问题。
发明内容
本发明解决上述课题，其目的在于，提供一种涡轮盘及燃气轮机，通过缓和应力集 中实现耐久性的提高。为实现上述目的的权利要求1所述的涡轮盘，旋转自如地被支撑并在外周部沿圆 周方向并列设置有多个动叶片的涡轮盘，其特征在于，沿圆周方向上并列设置有多个第一 冷却孔，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与所述各动叶片内部的冷却通路连通；并且，设置有 第二冷却孔，位于所述各第一冷却孔之间，并从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于，可从所述第一冷却孔和所述第二冷却孔 的基端部供给冷却气体；并且，所述第一冷却孔和所述第二冷却孔的前端部通过沿圆周方 向设置的径向连通路连通。
权利要求3所述的涡轮盘，其特征在于，所述各动叶片的嵌合突 起嵌合于沿圆周方向并列设置在外周部上的多个嵌合槽， 从而在两者的缝隙间设置有沿着轴向的轴向连通路；所述第一冷却孔，对应圆周方向设置 于所述轴向连通路，前端部与所述径向连通路及所述轴向连通路连通；另一方面，所述第二 冷却孔，设置于圆周方向上所述第一冷却孔之间，其前端部被堵塞，并且与所述径向连通路 连通。权利要求4所述的涡轮盘，其特征在于，所述轴向连通路的两端部由密封条被堵
O权利要求5所述的涡轮盘，其特征在于，所述径向连通路，通过用密封件堵塞形成 环形的连通槽，被设置为环状。另外，权利要求6所述的燃气轮机，一种装置，利用燃烧器向经压缩机压缩的由压 缩机压缩后的压缩空气中供给燃料，在燃烧器中使之进行燃烧，通过向涡轮供给产生的燃 烧气体，从而获得旋转动力的燃气轮机，其特征在于，所述涡轮具有旋转自如地被支撑的 涡轮盘；和多个动叶片，沿圆周方向并列设置于该涡轮盘的外周部，并且内部设置有冷却通 路。在所述涡轮盘上，沿圆周方向并列设置有多个第一冷却孔，所述多个第一冷却孔从涡轮 盘的内侧向外侧贯穿，连通所述冷却通路与所述冷却通路连通；并且，设置有第二冷却孔， 所述第二冷却孔位于所述各第一冷却孔之间，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。根据权利要求1所述的涡轮盘，沿圆周方向并列设置多个第一冷却孔，所述多个 第一冷却孔从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与连通各动叶片内部的冷却通路连通；并且，设 置第二冷却孔，所述第二冷却孔位于各第一冷却孔之间，并从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。因 此，涡轮盘上第一冷却孔和第二冷却孔被交替并列设置，圆周方向的多个冷却孔间的距离 减少，可缓和旋转时作用于各冷却孔周边的应力集中。另外，通过设置第二冷却孔实现轻量 化，其结果是，可实现耐久性的提高。根据权利要求2所述的涡轮盘，可从第一冷却孔和第二冷却孔的基端部供给冷却 气体，并且，所述第一冷却孔和所述第二冷却孔的前端部通过沿圆周方向设置的径向连通 路连通。因此，通过径向连通路从第一冷却孔及第二冷却孔向动叶片的冷却通路供给冷却 气体。其结果是，可通过扩大冷却气体的通路面积降低压力损失，并可实现提高动叶片的冷 却效率。根据权利要求3所述的涡轮盘，通过使各动叶片的嵌合突起嵌合于沿圆周方向上 并列设置在外周部上的多个嵌合槽上，从而在两者的缝隙间沿轴向设置有沿着轴向的轴向 连通路，在轴向连通路上对应圆周方向设置第一冷却孔，使前端部与径向连通路及轴向连 通路连通；另一方面，在圆周方向上的第一冷却孔之间设置第二冷却孔，堵塞前端部并且与 径向连通路连通。其结果是，在适当位置设置第一冷却孔和第二冷却孔，可有效地向动叶片 的冷却通路供给冷却气体，可实现构造简化。根据权利要求4所述的涡轮盘，由密封条堵塞轴向连通路的两端部。其结果是，可 提高动叶片的嵌合突起所嵌合的嵌合槽的可加工性。通过密封条可适当形成无泄漏的轴向 连通路。根据权利要求5所述的涡轮盘，将径向连通路通过用密封件堵塞形成环形的连通 槽而设置为环状。其结果是，可通过简单地构成径向连通路提高可加工性，可通过密封适当形成无泄漏的径向连通路。根据权利要求6所述的涡轮盘，由压缩机、燃烧器及涡轮构成，作为涡轮设置有 旋转自如地被支撑的涡轮盘；和多个动叶片，沿圆周方向并列设置于涡轮盘的外周部，内部 设置有冷却通路。涡轮盘中，沿圆周方向并列设置有多个第一冷却孔，所述第一冷却孔从涡 轮盘的内侧向外侧贯穿而与冷却通路连通；并且，设置有第二冷却孔，所述第二冷却孔位于 各第一冷却 孔之间，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。因此，涡轮盘中，第一冷却孔和第二冷却 孔被交替并列设置，圆周方向的多个冷却孔的距离减少，可缓和旋转时作用于各冷却孔周 边的应力集中。另外，通过设置第二冷却孔可实现轻量化，可实现耐久性的提高。其结果可 提高涡轮输出及效率。
图1是涉及本发明一实施方式的燃气轮机的涡轮上游部的概略图。图2是本实施方式的燃气轮机的涡轮盘的主要部正视图。图3是图2的III-III剖视图。图4是图2的IV-IV剖视图。图5是本实施例的燃气轮机的动叶片的分解立体图。图6是表示冷却孔的直径、间隔及应力集中系数之间的关系的说明图。图7是表示相对于冷却孔的直径及间隔的应力集中系数的图表。图8是本实施例的燃气轮机的概略结构图。图9是表示本实施例的燃气轮机的涡轮盘的变形例的概略图。标号说明11压缩机12燃烧器13 涡轮14排气室21、21a、21b …静叶片22、22a、22b …动叶片3la、3Ib 涡轮盘32嵌合槽36叶片根部(嵌合突起)39密封条40轴向连通路41冷却通路42第一冷却孔43第二冷却孔44 柱塞46密封件47径向连通路
具体实施例方式以下，参照附图对本发明涉及的涡轮盘及燃气轮机的优选实施方式详细地进行说 明。另外，本发明并不被本实施方式所限定。实施例图1是本发明中一实施例的燃气轮机中的涡轮上游部的概略图。图2是本实施方 式的燃气轮机的涡轮盘的主要部正视图。图3是图2的III-III剖视图。图4是图2的 IV-IV剖视图。图5是本实施例的燃气轮机的动叶片的分解立体图。图6是表示冷却孔的 直径、间隔及应力集中系数之间的关系的说明图。图7是表示相对于冷却孔的直径及间隔 的应力集中系数的图表。图8是本实施例的燃气轮机的概略结构图。图9是表示本实施例 的燃气轮机的涡轮盘的变形例的概略图。本实施例的燃气轮机，如图8所示，由压缩机11、燃烧器12、涡轮13及排气室14 构成，未图示的发电机与该涡轮13连接。该压缩机11具有取入空气的空气取入口 15，在 压缩机机室16内交替配置有多个静叶片17和动叶片18，在其外侧设置有抽气歧管19。燃 烧器12相对于由压缩机11压缩后的压缩空气供给燃料，可通过烧嘴(burner)点火进行燃 烧。涡轮13在涡轮机室20内交替配置有多个静叶片21及动叶片22。排气室14具有与 涡轮13连接的排气扩散器23。另外，转子(涡轮轴)24以贯穿压缩机11、燃烧器12、涡轮 13及排气室的中心部的方式定位，压缩机11侧的端部通过轴承部25旋转自如地被支撑，另 一方面，排气室14侧的端部通过轴承部26旋转自如地被支撑。而且，该转子24中固定有 多个盘，并固定有各动叶片18、22，并且，未图示的发电机的驱动轴与排气室14侧的端部连 接。从压缩机11的空气取入口 15取入的空气通过多个静叶片21和动叶片22压缩而 成为高温高压的压缩空气。利用燃烧器12，向该压缩空气供给规定的燃料进行燃烧。然后， 在该燃烧器中产生的成为工作流体的高温高压的燃烧气体通过构成涡轮13的多个静叶片 21和动叶片22，由此驱动转子24旋转，并且驱动与该转子24连接的发电机。废气经排气 机室14的排气扩散器23转换成静压后排出到大气中。所述涡轮13，如图1所示，在涡轮机室20中，沿燃料气体的流动方向(图1的箭头 方向)配置有静叶片21a、21b…。各静叶片21a、21b…沿涡轮机室20的圆周方向以均勻间 隔被设置有多个。另外，转子24(参照图8)上，沿其轴向可一体旋转地连接有涡轮盘31a、 31b…。该各涡轮盘31a，在31b…的外周部固定有动叶片22a、22b···。各动叶片22a、22b··· 以均勻间隔沿各涡轮盘31a、31b…的圆周方向设置多个。在图5中，涡轮盘31a呈圆盘形状，在外周部上沿圆周方向以均勻间隔形成有多个 沿着轴向的嵌合槽32。在各嵌合槽32的下方部与该嵌合槽32 —体地形成有轴向连通槽 33。动叶片22a，在平台34的上部一体地竖立设置有动叶片主体35。在平台34的下部一 体形成有可与嵌合槽32嵌合的叶片根部(嵌合突起)36。在该叶片根部36的下部一体形 成有向轴向的一侧突出的突出部36a。涡轮盘31a在轴向一侧(前端侧)上形成有呈环状的圆周凸缘部37。在该圆周凸 缘部37上以与各轴向连通槽33位于直线上的方式分别形成有切槽部38。叶片根部36的 突出部36a可嵌合于涡轮盘31a的切槽部38，并且，密封条39也可嵌合。在多个动叶片22a上，叶片 根部36通过滑动嵌合于嵌合槽32而安装在涡轮盘31a上。如以图3进行说明，此时，在叶片根部36的下面和轴向连通槽33之间形成间隙，从而 构成轴向连通路40。在动叶片22a的内部上形成的冷却通路与该轴向连通路40连通。而 且，叶片根部36的突出部36a嵌合于涡轮盘31a的切槽部38，由于密封条39从其外侧嵌 合，轴向连通路40的一侧的一部分被堵塞。该密封条39具有从水平方向向上方弯曲的挂 钩39a，在嵌合于切槽部38的状态下，该挂钩39a卡定在叶片根部36的切槽部36b而阻止 其脱落。另外，轴向连通路40，也在另一侧(后端侧)通过未图示的密封条嵌合而被堵塞。涡轮盘31a上，沿圆周方向并列设置有多个第一冷却孔42， 该多个第一冷却孔42 从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与各动叶片22a的冷却通路41连通。另外，涡轮盘31a上， 沿圆周方向并列设置有多个第二冷却孔43，该多个第二冷却孔43位于该第一冷却孔42之 间，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。该第一冷却孔42与轴向连通路40对应地设置，其基端部 向涡轮机室20的内侧开口，另一方面，前端部与轴向连通路40连通。参照图4，第二冷却 孔43同第一冷却孔42 —样，其基端部向涡轮机室20的内侧开口。第二冷却孔43的前端 部贯穿圆周凸缘部部37，通过柱塞的嵌合而被堵塞。如参照图3乃至图5，在涡轮盘31a上，在外周部侧的平面部上形成有呈环状的径 向连通槽45。在该径向连通槽45的开口部一侧上固定有密封条46而被堵塞，由此，形成 呈环状的径向连通路47。该径向连通槽45与各第一冷却孔42及各第二冷却孔43交叉连 通。如图3和图4所示，密封件46在内圆周部上形成有螺钉部46a，该螺钉部46a与径向连 通槽45的螺钉部45a螺合。在径向连通路侧面上沿圆周方向以规定间隔形成有，该多个定 位突起46b能够与径向连通槽45的底部45b抵接。因此，密封件46以将螺钉部46a旋合于螺钉部45a的方式进行旋转，通过定位突 起46b抵接于径向连通槽45的底部45b而定位固定，形成径向连通路47。第一冷却孔42 和第二冷却孔43，各前端部通过该径向连通路47进行连通。径向连通路47与轴向连通路 40连通。另外，在此，对第一级的动叶片22a及涡轮盘31a进行了说明，但是第二级以后的 动叶片22b…以及涡轮盘31b…也为相同的构成。但是，如参照图1，在涡轮机室20的内侧设置有由涡轮盘31a和壳体51划分出的 空间部52。该空间部52中被供给有从压缩机11抽气冷却的冷却空气。由压缩机11 (参照 图8)压缩后的压缩空气，被送往冷气机(未图示)，经冷却至规定温度后被送往空间部52。 被送到该空间部52的冷却空气(冷却气体)，通过节流部53被吸入到各冷却孔42、43中。如此构成的本实施例的涡轮13中，冷却空气通过第一冷却孔42供给到轴向连通 路40，并且，通过第二冷却孔43从径向连通路47供给到轴向连通路40。通过使该冷却空 气从轴向连通路40向冷却通路41进行供给，动叶片22a被冷却。涡轮盘31a，通过沿圆周方向交替形成第一冷却孔42和第二冷却孔43，冷却孔42、 43间的距离被缩短，应力集中被降低。如图6所示，设冷却孔42、43的内径为a，相邻的冷 却孔42、43的中心距离为b，应力集中系数为ο。应力集中系数σ如图7所示，存在a/b 越大其值越小的倾向。在仅形成有第一冷却孔的以往的涡轮盘中，因为相邻的第一冷却孔 的中心距离Id1长，相对于^/^的应力集中系数O1变大。另一方面，在交替形成第一冷却 孔42和第二冷却孔43的本实施例的涡轮盘31a中，由于相邻的冷却孔42、43的中心距离 b2短，因而相对于a2/b2的应力集中系数σ 2变小。
如此，本实施例的涡轮盘31a被固定连结于转子24上。该转子24旋转自如地被 支撑。在涡轮盘31a的外周部沿圆周方向并列设置有多个动叶片22a。在涡轮盘31a内部， 沿圆周方向并列设置 第一冷却孔42，该第一冷却孔42从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与动 叶片22a的内部的冷却通路41连通。第二冷却孔43，位于各第一冷却孔42之间，从涡轮盘 的内侧向外侧贯穿。因此，涡轮盘31a上，沿圆周方向交替并列设置有第一冷却孔42和第二冷却孔43， 圆周方向上的多个冷却孔42、43的距离减少。因此，可缓和在转子旋转时作用于各冷却孔 42,43周边的应力集中。另外，通过新设第二冷却孔43，使涡轮盘31a的轻量化成为可能。 其结果是，可实现涡轮盘31a的耐久性的提高。另外，在本实施例的涡轮盘中，可从第一冷却孔42和第二冷却孔43的基端部供给 冷却气体，并且，将第一冷却孔42和第二冷却孔43的前端部通过沿圆周方向设置的径向连 通路来连通，使冷却气体从第一冷却孔42及第二冷却孔43经过径向连通路47向动叶片 22a的冷却通路41供给。其结果，能够通过扩大冷却气体的通路面积来降低压力损失，并可 提高动叶片22a的冷却效率。另外，在本实施例的涡轮盘中，将各动叶片22a的叶片根部36嵌合于沿圆周方向 并列设置在外周部上的多个嵌合槽32，从而在两者的缝隙间设置有沿着轴向的轴向连通路 40，在轴向连通路40上与圆周方向对应地设置第一冷却孔42，使前端部与径向连通路47及 轴向连通路40连通；另一方面，将第二冷却孔43设置于圆周方向上第一冷却孔42之间，使 前端部由柱塞44堵塞并与径向连通路47连通，在适当位置设置第一冷却孔42和第二冷却 孔43，有效地向动叶片22a的冷却通路41供给冷却气体。能够实现构造的简化。另外，在本实施例的涡轮盘中，通过密封条39堵塞轴向连通路40的两端部。可提 高动叶片22a的叶片根部36所嵌合的嵌合槽32的可加工性。通过密封条39可适当形成 无泄漏的轴向连通路40。另外，在本实施例的涡轮盘中，通过用密封件46堵塞形成环形的径向连通槽45， 从而将径向连通路47设置为环状。通过简单地构成径向连通路47，可提高可加工性。可通 过密封件46适当形成无泄漏的径向连通路47。另外，本实施例的燃气轮机由压缩机11、燃烧器12及涡轮13构成，涡轮13设置 有旋转自如地被支撑的涡轮盘31a、31b···；多个动叶片22a、22b···，沿圆周方向并列设置 于涡轮盘31a、31b…的外周部，内部设置有冷却通路41。涡轮盘31a、31b…中，沿圆周方向 并列设置有多个第一冷却孔42，该多个第一冷却孔42从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与冷 却通路41连通；并且，设置有第二冷却孔43，该第二冷却孔43位于各第一冷却孔42之间， 从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。因此，在涡轮盘31a，31b…中，第一冷却孔42和第二冷却孔43沿圆周方向上交替 并列设置，圆周方向上的多个冷却孔42、43的距离减少。可缓和旋转时作用于各冷却孔42、 43周边的应力集中。另外，通过新设第二冷却孔43使轻量化成为可能，可实现耐久性的提 高。其结果可提高涡轮输出及效率。另外，在所述实施例中，从涡轮盘31a的涡轮盘的内侧向外侧设置第一冷却孔42， 并且，在该第一冷却孔42之间，从涡轮盘的内侧向外侧设置第二冷却孔43，但是并不限定 于该构成。例如，在涡轮盘中，可在第一冷却孔之间设置多个第二冷却孔，或使该第二冷却孔的内径比第一冷却孔内径小。另外，第一冷却孔42和第二冷却孔43的孔形状不限于正 圆形，也可为椭圆等不同形状。并且，从涡轮盘的内侧向外侧设置第一冷却孔42、第二冷却孔43，对此，如图9所 示，也可相对于圆周方向向轴向倾斜设置。在转盘的外侧，可实现缓和冷却口开口部的应力 集中。
另外，在所述实施例中，将本发明的第二冷却孔作为在涡轮盘31a的第一冷却孔 42之间设置的第二冷却孔43进行了说明，但是，也可将该第二冷却孔43作为未设置径向连 通路47且其前端部被堵塞的第二冷却孔，即使在这种情况下，也可缓和作用于涡轮盘的应 力集中，并且，可实现轻量化。本发明所涉及的涡轮盘及燃气轮机，通过缓和作用于涡轮盘的应力集中实现耐久 性的提高，可适用于任何种类的燃气轮机。
权利要求
一种涡轮盘，旋转自如地被支撑并在外周部沿圆周方向并列设置有多个动叶片，其特征在于，沿圆周方向并列设置有多个第一冷却孔，所述多个第一冷却孔从涡轮盘的内侧向外侧贯穿而与所述各动叶片内部的冷却通路连通；并且，设置有第二冷却孔，所述第二冷却孔位于所述各第一冷却孔之间，并从涡轮盘的内侧向外侧贯穿。
2.如权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，可从所述第一冷却孔和所述第二冷却孔的基端部供给冷却气体； 并且，所述第一冷却孔和所述第二冷却孔的前端部通过沿圆周方向设置的径向连通路 连通。
3.如权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于，所述各动叶片的嵌合突起嵌合于沿圆周方向并列设置在外周部上的多个嵌合槽，从而 在两者的缝隙间设置有沿着轴向的轴向连通路；所述第一冷却孔，对应圆周方向设置于所述轴向连通路，前端部与所述径向连通路及 所述轴向连通路连通；另一方面，所述第二冷却孔，设置于圆周方向上所述第一冷却孔之间，前端部被堵塞，并且与所述 径向连通路连通。
4.如权利要求3所述的涡轮盘，其特征在于， 所述轴向连通路的两端部由密封条堵塞。
5.如从权利要求2到4的某一权利要求所述的涡轮盘，其特征在于， 所述径向连通路，通过用密封件堵塞形成环形的连通槽而被设置为环状。
6.一种燃气轮机，利用燃烧器向由压缩机压缩后的压缩空气中供给燃料进行燃烧，向 涡轮供给产生的燃烧气体，从而获得旋转动力，其特征在于，所述涡轮具有旋转自如地被支撑的涡轮盘；和多个动叶片，沿圆周方向并列设置于 该涡轮盘的外周部，并且内部设置有冷却通路。 在所述涡轮盘上，沿圆周方向并列设置有多个第一冷却孔，所述多个第一冷却孔从涡轮盘的内侧向外侧 贯穿而与所述冷却通路连通；并且，设置有第二冷却孔，所述第二冷却孔位于所述各第一冷却孔之间，从涡轮盘的内侧向 外侧贯穿。
全文摘要
一种涡轮盘及燃气轮机，旨在通过以下方式缓和应力集中实现耐久性的提高。通过被固定于转子上旋转自如地被支撑，在外周部沿圆周方向并列设置多个动叶片(22a)；沿圆周方向并列设置第一冷却孔(42)，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿，连通动叶片(22a)的内部的冷却通路(41)；并且，设置第二冷却孔(43)位于各第一冷却孔(42)之间，从涡轮盘的内侧向外侧贯穿；通过径向连通路(47)连通第一冷却孔(42)和第二冷却孔(43)。
文档编号F02C7/18GK101960092SQ200980106438
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年2月27日
发明者桥本真也, 荒濑谦一 申请人:三菱重工业株式会社