JP2004190673A

JP2004190673A - タービンロータ用のバケットダブテール設計

Info

Publication number: JP2004190673A
Application number: JP2003406756A
Authority: JP
Inventors: Gary Edward Yehle; ゲーリー・エドワード・イエレ; Wayne Alan Lillibridge; ウェイン・アラン・リリブリッジ; Noel Jacob Bylina; ノエル・ジェイコブ・ブイリーナ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: KR20040049817A; US20040109766A1; EP1426556A2; JP3977798B2; US6840740B2; EP1426556B1; KR100868391B1; EP1426556A3

Abstract

【課題】本発明は、ホイールフックフィレット内の集中応力を最小にする設計の特徴的形状を採り入れたバケットダブテールに関する。
【解決手段】タービンバケットダブテール（１２）により、バケットがタービンロータ内に固定される。タービンバケットダブテールは、タービンロータのホイールポスト（１６）と係合可能でありかつタービンロータに対して軸方向に延びる複数のフックを含む。ポケット（２４）が、ダブテールの接線方向面内に機械加工され、このことによりゲート開口部（１４）におけるホイールポストダブテールの端縁におけるピーク応力を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンロータ上にバケットを組立てるためのタービンバケットダブテールに関し、より具体的には、ダブテール形状が、現用の蒸気流路にも適合できる全体的な寸法を維持しながら、ホイールフックフィレット内の集中応力（バケットの遠心力により生じる）を最小にすることを目的とする設計の特徴的形状を採り入れたバケットダブテールに関する。

多くの現用のタービンに見受けられる汚染蒸気の結果として、低圧ロータの後段に位置する接線方向挿入式ダブテールは、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を招く環境内で作動する。ＳＣＣは、典型的なダブテール構成のフックフィレット領域内に生じる応力レベルにより加速される。通常は、これらの応力は許容可能であるが、汚染蒸気内では、割れが発生し、見付けられないまま放置されて、ホイールフックの破損を生じることになる深さにまで増大する可能性がある。極端な場合には、フックの全てが破損して、バケットがロータから離脱して飛び出すことになる。

接線方向挿入式ダブテール設計は、ホイール周辺部に開口部を必要とし、この開口部においてバケットは先ず半径方向にホイール内に挿入され、次ぎに接線方向に所定の位置に摺動される。このホイール開口部は、「ゲート」と呼ばれる。ゲートは、全てのバケットがホイール上に組立てられた後に、閉塞バケットと呼ばれる特別なバケットを用いて埋められる。閉塞バケットは、クロスキーで所定の位置に固定される。列内に該バケットにより用いられる保持フックがないために、クロスキーが必要とされる。クロスキーは、ホイールリムの上方で閉塞部品及び隣接(補助)バケットの「中実の」部分を通過する。運転速度において、閉塞部品は、キー構成の性質から補助バケットに追加の荷重を加える。クロスキー設計は、閉塞部品の遠心力の５０％を各補助バケットに伝える。ダブテールの幾何学形状の急激な変化により生じる応力集中係数に加えて閉塞／補助バケットからの遠心荷重により、ゲートにおいてホイールフックフィレットのピーク応力が発生する。

経験の示すところでは、ホイールフックには割れが生じるが、バケットフックには割れが生じない。これは、低圧ロータに用いられるＮｉＣｒＭｏＶ及び類似の低級な合金鋼は、バケットに用いられる１２クロム鋼よりＳＣＣに対する耐性が低いためである。ＮｉＣｒＭｏＶ鋼は、低圧ロータ設計で考慮すべき事項全体に役立つ特性の最適の組合せをもたらす。従って、典型的な低圧蒸気環境でＳＣＣを回避する効果的な手段は、ホイールダブテールの応力を許容可能なレベルにまで低下させることである。腐食性環境で作動する構成部品中のピーク応力が材料の降伏強度より低い場合、ＳＣＣに対する耐性が大いに改善されることが、タービン業界では知られている。従って、ホイールダブテールは、少なくともこの基準を満たすように設計され、応力を更に低下させることによってより大きな安全マージンが得られるようにすることができる。

本発明の例示的な実施形態では、タービンロータ内にバケットを固定するためのタービンバケットダブテールが提供される。タービンバケットダブテールは、タービンロータのホイールポストと係合可能でありかつ該タービンロータに対して軸方向に延びる複数のフックと、ダブテールの接線方向面内に機械加工されたポケットとを含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、タービンロータは、ゲート開口部を有するホイールポストダブテールを備えた回転可能なホイールポストと、各々がタービンバケットダブテールによりホイールポストダブテールに固定された複数のタービンバケットとを含む。複数のタービンバケットは、ゲート開口部における閉塞バケットと、閉塞バケットを挟んで位置しかつクロスキーにより該閉塞バケットを固定する一対の補助バケットとを含む。補助バケットの各々は、ホイールポストと係合可能でありかつタービンロータに対して軸方向に延びる複数のフックと、ダブテールの接線方向面内に機械加工されたポケットとを含む。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、タービンロータ内にバケットを固定するためのタービンバケットダブテールを製作する方法が提供される。該方法は、タービンロータのホイールポストと係合可能でありかつ該タービンロータに対して軸方向に延びる複数のフックを形成する段階と、ダブテールの接線方向面内にポケットを機械加工する段階とを含む。

図１〜図３は、組立て時におけるバケット及びホイール構成を示す。標準的なバケットダブテール１２は、ホイールポストダブテール１６内のホイールポストゲート開口部１４上に配置され、所定の位置に摺動される。ゲート１４は、全てのバケットがホイール上に組立てられた後に、閉塞バケット１８と呼ばれる特別なバケットを用いて埋められる。閉塞バケット１８は、クロスキー２０で所定の位置に固定される。列内にバケットにより用いられる保持フックがないために、クロスキー２０が必要とされる。各クロスキー２０は、ホイールリムの上方で閉塞部品１８及び隣接(補助)バケット２２の「中実の」部分を通過する。補助バケット２２は、それ自体の遠心荷重を支持するだけでなく、クロスキー２０を介して閉塞バケット１８の遠心荷重の５０％も支持する。これらの力は、ホイールポストダブテール１６内に応力を発生させ、そのピーク応力は、ゲート開口部１４付近のフックのフィレット領域内に位置する。ゲート開口部１４付近のピーク応力をロータ材料の降伏強度より十分低い値にまで制限するために、接線方向挿入式ダブテール内にポケット２４が機械加工される。

図４及び図５を参照すると、ポケット２４は、クロスキーが配置される接線方向挿入式ダブテールの側面に機械加工される。ポケット２４は、各バケットフック２６の接触面２５を取り囲み、ホイール接触面に非接触ゾーンを形成する。運転速度におけるバケットの遠心力は、最大応力集中係数が存在するゲート開口部１４からある距離（ポケット深さ）だけ離れたところでホイールとの接触面２５に荷重を加えるので、ホイールフックフィレットのピーク応力を低下させる。その上に、ポケット２４によりダブテール重量が減少しており、このことによりダブテール遠心力及びピーク応力を低下させる。

３フックダブテールについてのポケット２４の深さは、好ましくは１８０ｍｍ〜２１０ｍｍの範囲、最も好ましくは１８０ｍｍであり、また４フックダブテールの場合には好ましくは２２０ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲、最も好ましくは２２０ｍｍである。ポケットをより浅くすると、過大なピーク応力を生じる可能性があり、一方、ポケットをより深くすると、クラッシュ応力破損及び材料フレッチングを生じる可能性がある。（確認されたい。）

有限要素分析によると、ホイールダブテール内のピーク集中応力は、５２１００ＰＳＩであり、この値は、ＡｒｉｚｏｎａＰｕｂｌｉｃＳｅｒｖｉｃｅの第１２段交換用低圧ロータ、ＰａｌｏＶｅｒｄｅＵｎｉｔｓ１、２及び３、タービン＃１ＬＲ０２９６、１ＬＲ０２９７及び１ＬＲ０２９８の対象ダブテールを分析するために用いられたのと同じ荷重条件であった。このことは、それらの条件の場合において集中応力が２１％低下したことを表している。

ダブテールの高い応力集中係数領域から離れるように遠心荷重を移動させることによって、ピーク応力レベルは低下することになる。設計の特徴的形状は、補助バケットの１つの側面を特別な深さにまで機械加工されてポケットが形成された接触面を含むダブテールの領域である。これは、バケット遠心荷重をホイールポストのゲート開口部におけるダブテール端縁から離れるように移動させる。その結果、バケット対ホイールのダブテール構成は、ホイールポストのゲート開口部においてホイールフックの応力腐食割れを回避するのに充分に低いピーク応力を有することになる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して、本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ゲート開口部上に挿入されかつ所定の位置に摺動された標準的なバケットダブテールを示すバケット及びホイール構成を示す図。ゲート開口部に配置された閉塞バケットの半分のモデルを示す図。バケットの組立てられた列を示す図。本発明の補助バケットの正面図。図４の補助バケットの側面図。

符号の説明

１２バケットダブテール
１４ホイールポストのゲート開口部
１６ホイールポストダブテール

Claims

タービンロータ内にバケットを固定するためのタービンバケットダブテールであって、前記タービンロータのホイールポスト（１６）と係合可能でありかつ該タービンロータに対して軸方向に延びる複数のフック（２６）と、該ダブテールの接線方向面内に機械加工されたポケット（２４）とを含むことを特徴とするタービンバケットダブテール。
前記ポケット（２４）が、前記複数のフックの各々を取り囲むポケット領域により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンバケットダブテール。
前記ホイールポスト（１６）の各側面と係合可能な３つのフック（２６）を含み、前記ポケット（２４）の深さが、０．１８０インチ〜０．２１０インチの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のタービンバケットダブテール。
前記ポケット（２４）の深さが、約０．１８０インチであることを特徴とする、請求項３に記載のタービンバケットダブテール。
前記ホイールポスト（１６）の各側面と係合可能な４つのフック（２６）を含み、前記ポケット（２４）の深さが、０．２２０インチ〜０．２５０インチの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のタービンバケットダブテール。
前記ポケット（２４）の深さが、約０．２２０インチであることを特徴とする、請求項５に記載のタービンバケットダブテール。
タービンロータ内にバケットを固定するためのタービンバケットダブテールを製作する方法であって、前記タービンロータのホイールポスト（１６）と係合可能でありかつ該タービンロータに対して軸方向に延びる複数のフック（２６）を形成する段階と、前記ダブテールの接線方向面内にポケット（２４）を機械加工する段階とを含むことを特徴とする方法。