JP2004211696A - 翼形部前縁にかかる応力を減少させるためのスロットを設けたダブテールを備える圧縮機ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ブレードの耐腐食性を増大させるための前縁の処理に関する。
【解決手段】 軸流圧縮機のブレードは、前縁（２２）及び根元（２０）を有する翼形部（１２）と、該翼形部の根元に取付けられたプラットホーム（１４）と、該プラットホームの翼形部の反対側にある面に取付けられたダブテール（１６）と、プラットホームに隣接するダブテールのネック部（２４）と、プラットホームにほぼ平行な該ネック部内のスロットとを含み、該スロットは、ネック部の前面からブレードの前縁により形成される線を越えて該ネック部内の所定の位置まで延びる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機ブレードに関し、具体的には、ブレードの耐腐食性を増大させるための前縁の処理に関する。

ブレードを洗浄し、圧縮機の性能を向上させるために、水が圧縮機内に噴射される。水洗浄を用いて、特に発電施設に使用されるような大型の産業用ガスタービン内の圧縮機流路が清浄にされる。水は、流路全体にわたって一様に圧縮機への入口内に直接噴射される。

ハブ上に噴射される水は、圧縮機の第１段のブレードに当たる。これらの回転している第１段ブレードは、半径方向外向きに圧縮機の流路内に水を浴びせかける。水は、圧縮機ベーン及びブレードを通して圧縮機空気により運ばれる。水は、圧縮機及びベーン表面を清浄にする。しかしながら、第１段ブレードに対する水の影響は、それらのブレードの前縁を、特にブレード翼形部がブレードプラットホームに取付けられるその根元において腐食させる傾向がある。

腐食は、ブレードの前縁表面に、小穴、割れ目、或いはその他の変形を生じさせるおそれがある。多くの場合、腐食は、潜伏期間に始まり、その期間の間にブレード、例えば新品のブレードは、ブレード前縁内に小穴を生じ、また割れ目が形成される。腐食が続くにつれて、小穴及び割れ目の数は増え、それらはブレードの内部深くにまで及ぶ。

ブレードは、空気流及び圧縮機械に起因する遠心力及び振動による非常に大きな応力を受ける状態にある。これらの応力は、小穴及び割れ目において裂け目を生じさせ、ブレード内に高サイクル疲労（ＨＣＦ）亀裂を引き起こすことになる。いったん亀裂が発生すると、ブレードに作用する遠心力による高い定常応力とブレードにかかる正常振動応力とにより、ブレード内に亀裂が広がり、結局はブレードを破損させる可能性がある。亀裂が入ったブレードは、多数の断片に壊れることにより致命的に破損する可能性があり、その断片が圧縮機を通して下流に流れて、他のブレード及びロータに甚だしい損傷を引き起こす可能性がある。従って、ブレード腐食により圧縮機ブレード内に亀裂が形成される可能性を減少させるかねてからの要望がある。

１つの実施形態では、本発明は、軸流圧縮機のブレードであり、該ブレードは、前縁及び根元を有する翼形部と、該翼形部の根元に取付けられたプラットホームと、該プラットホームの翼形部と反対側にある面に取付けられたダブテールと、プラットホームに隣接するダブテールのネック部と、該ネック部の前面からブレードの前縁により形成される線を越えて該ネック部内の所定の位置まで延びる、プラットホームにほぼ平行な該ネック部内のスロットとを含む。更に、スロットは、ネック部の幅全体にわたって延びることができ、また鍵穴形状のスロットである。

スロットは、ネック部の前面から該スロットの円筒形開口部分まで延びる狭い間隙を有することができる。円筒形開口は、スロットの狭い間隙からオフセットした軸線を有する。更に、スロット内にぴったり嵌合するような形状にされたインサートが、圧縮機ブレードの取付け時にスロット内に挿入されることができる。インサートは、狭い長方形セクションが円筒形セクションに取付けられたものとすることができ、そこにおいて該インサートが、スロット内に嵌合される。

第２の実施形態では、本発明は、プラットホーム及びダブテールを有する圧縮機ブレードの翼形部の前縁に遠心応力及び振動応力がかからないようにする方法であり、該方法は、プラットホームの前部部分の下方のダブテール内に、翼形部の前縁の下に位置するようにスロットを形成する段階と、スロットの端部に、プラットホームにほぼ平行でありかつダブテールを貫通して延びるように円筒形開口を形成する段階と、スロットと円筒形開口とを形成することによって、ブレードの前縁の少なくとも根元にかかる遠心荷重及び振動荷重を減少させる段階とを含む。ブレードは、第１段圧縮機ブレードとすることができる。

この方法では、スロットは、ネック部の幅全体にわたって延び、鍵穴形状のスロットとして形成される。更に、スロットは、狭い間隙をネック部の前部内に切り込むことによって形成され、円筒形開口が、ネック部を貫通して穿孔することにより狭い間隙の後方に形成される。それに代えて、スロットは、ダブテールを鋳造する時に形成される。インサートが、スロット内に滑らせて挿入されることができ、インサートはスロットをほぼ埋める。

第３の実施形態では、本発明は、軸流圧縮機のブレードであり、該ブレードは、前縁及び根元を有する翼形部と、該翼形部の根元に取付けられたプラットホームと、該プラットホームの翼形部と反対側にある面に取付けられたダブテールと、プラットホームに隣接するダブテールのネック部とを含み、ブレードの前縁と整列したネック部のコーナ部は、プラットホームのブレード前縁と反対側にある部分に対しては取付けられていない。ネック部分のコーナ部領域は、丸みのある表面を備えた円錐形の四半分セクションとすることができ、該コーナ部領域は、フィレットを介してプラットホームに接合される。

ブレードの耐腐食性を増大させるために、第１段圧縮機ブレードの幾何学的形状は、ブレードの前縁に作用する応力を減少させるように変更された。ブレードに作用する非常に大きい遠心応力及び振動応力は、小さい穴及び表面粗さを生じさせてブレード破損を招く亀裂を発生させる可能性がある。

図１及び図２は、発電用に用いられるような産業用ガスタービンエンジンの多段軸流圧縮機の第１段ブレード１０の一部を示す。圧縮機ブレードは、ブレード翼形部１２と、ブレードの根元２０におけるプラットホーム１４と、ブレードを圧縮機ディスク（図示せず）に結合するために用いられるダブテール１６とを含む。ダブテール１６は、ブレードをディスクのリムに取付ける。圧縮機ブレードの列が、ディスクの周辺部の周りに配列されて、ブレードの環状列を形成する。

オンライン水洗浄の間に、水１８は、圧縮機内に一様に噴射される。大きな水滴は、ブレードの根元２０近くにある該ブレードの翼形部表面１２の下方部分に当たる傾向がある。

空気は、圧縮機の各段における圧縮機ブレード列の翼形部表面１２上を流れる。翼形部表面の形状及び表面粗さは、ブレード及び圧縮機の空気力学的性能にとって重要である。第１段ブレードの前縁２２に当たる大きな水滴は、翼形部表面１２を侵食し、該表面に小穴を生じさせ、また該表面を粗くする可能性がある。

ブレードのプラットホーム１４は、翼形部１２の根元２０に一体的に接合される。プラットホームは、ブレード表面を横切る空気流路の半径方向内側境界面を形成し、この半径方向内側境界面からブレード翼形部１２が延びている。プラットホームの反対側にある面には、ブレード用のダブテール継手１６が取付けられる。

ダブテール１６は、ロータが高速回転して遠心力がダブテールをディスク内のスロットに対して半径方向上向きに強固に押し付けるまでは、圧縮機ディスク内に弛く嵌合している。ダブテール継手にかかるディスクの力は、回転ブレードに作用する遠心力と反対方向に作用する。これらの反対方向の力により、ブレード翼形部１２内に応力が生じる。これらの応力は、ブレード内において、該ブレードの根元２０がプラットホーム１４に取付けられているような特定の位置に集中する。

ダブテール１６は、プラットホームのすぐ下方のネック部領域２４と、ディスク周辺部のスロットに係合するローブを備えた幅広セクション２６と、底部２８とを有する。スロット３０は、プラットホームの下方でネック部を貫通して延びる。スロットは、ブレードの軸線３２に対して垂直でありかつプラットホームにほぼ平行である。スロット３０は、プラットホームの下方でかつブレード翼形部１２の前縁２２の下においてダブテールネック部２４内に切り込まれる。スロットは、ダブテールのネック部の幅全体にわたって延びる。スロットは、ほぼ鍵穴形状を有し、狭い間隙３２がダブテールの前面に始まり該翼形部ブレードの前縁の下の位置まで延びる。スロットの端部は、十分な半径を有するほぼ円筒形セクション３６に拡大されており、発生する応力をダブテールのスロットによって減少させる。円筒形セクション３６は、円筒部分の軸線３８が間隙３２の中心線の僅かに下方に位置するように、スロットの狭い間隙３２と交差する。スロット及び円筒部分の上部表面（プラットホームの前部部分の下部表面である）は、円筒体インサート４０の上部隆起４６に対応する小さい凹部３７を除いては、ほぼ平坦である。スロットは、狭い間隙３２を切り込むことにより、また円筒形開口３６を穿孔することによるような機械加工によって形成することができる。それに代えて、スロット３０は、ダブテールの鋳造と同時に形成することができる。

ダブテール内のスロット３０は、特に翼形部がプラットホーム１４に取付けられた根元２０において翼形部の前縁２２にかかる応力を減少させる。プラットホームの前部がダブテールから直接切り離されるので、応力の減少が起こる。プラットホームの前部は、ダブテールの上方で片持梁として延びる。プラットホームの前部は下にあるダブテールに直接取付けられないので、そうでなければダブテールからプラットホームの前部を通って翼形部の前縁に至ると思われる遠心力による応力が減少する。ブレード翼形部の根元２０の前縁２２にかかる応力の減少により、腐食が引き起こす小穴及び他の表面欠陥が広がって亀裂を生じることになる可能性が減少する。従って、ダブテールを貫通するスロット３０は、ブレードの前縁の下部セクションおける腐食損傷から広がるＨＣＦ亀裂の危険性を著しく減少させることになる。

インサート４０が、スロット３０内に嵌合される。このインサートは、スロットから分離された状態が図１に示され、また図２ではスロット内に嵌合された状態で示されている。インサートは、スロットの形状と類似する形状を有する。インサートは、スロット内にぴったりと嵌合する非金属構成部品である。インサートは、スロットの空洞内で音響共振が発生する傾向を減少させる。インサートはまた、塵埃、水及び他のデブリがスロット内に蓄積するのを防止する。インサートは、プラットホームを介してダブテールからブレードの前縁に遠心応力を伝達することはない。インサートは、スロットの円筒形開口３６内に嵌合される円筒形部分４２を有する。インサートは、円筒体から延びてスロット３０の狭いセクション３２内に嵌合する長方形部分４４を有する。円筒体４２の上部隆起４６は、インサートの長方形部分４４から僅かに上方に突出することができる。

別の実施形態では、切り欠かれたセクションは、ダブテールの前部全体を横切って延びるブロックである。この別の実施形態は、本出願と同一出願人でありかつ少なくとも１人が共通の発明者である日本特許出願番号2003-357147号である別の出願の主題である。

図３に示す更に別の実施形態では、ダブテールネック部２４のコーナ部５０は、翼形部形状の前縁２２に取付けられたプラットホームの前面コーナ部５２の下方から除去される。切り欠かれたセクション５４は、ブレードの前縁２２に応力がかからないようにする。従来型のダブテールは、断面がほぼ完全な長方形であり、図１及び図２に示すスロット３０のような切り欠かれたセクション、或いは図３に示す除去されたコーナ部５０を含んでいない。図３では、切り欠かれたセクション５４は、ダブテールの前面コーナ部に位置し、かつブレードの前縁２２の下方に位置する。切り欠かれたセクション５４はまた、ブレードプラットホーム１４の前面コーナ部５２の直近に位置する。切り欠かれたセクションとプラットホームの底面との間の接合部５６は、十分な半径を備えたフィレットを含み、接合部における応力集中を減少させる。

切り欠かれたセクション５４は、除去されて、プラットホーム１４の前面コーナ部と根元２０近くのブレード前縁２２とに荷重がかからないようにする。ダブテールの切り欠かれた部分５４は、プラットホームの下に滑らかなスカラップ状の表面を形成するように機械加工される。

現在最も実用的で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示した参照符号は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、それらを容易に理解することを意図するものであることを理解されたい。

そのダブテール継手内のスロットと該スロット用のインサートとを有する圧縮機ブレードの一部の拡大斜視図。 スロット内にインサートを備えた、図１に示す圧縮機ブレードの基部の拡大斜視図。 コーナ部が除去されたダブテールの一部を示す別の実施形態の断面図。

符号の説明

１０ 第１段ブレード
１２ ブレード翼形部
１４ プラットホーム
１６ ダブテール
１８ 水
２０ ブレードの根元
２２ ブレードの前縁
２４ ダブテールのネック部領域
２６ ダブテールの幅広セクション
２８ ダブテールの底部
３０ スロット
３２ スロットの狭い間隙
３６ スロットの円筒形セクション
３７ スロットの小さい凹部
４０ インサート
４２ インサートの円筒形部分
４４ インサートの長方形部分
４６ インサートの上部隆起

Claims (10)

1. 前縁（２２）及び根元（２０）を有する翼形部（１２）と、
   前記翼形部の根元に取付けられたプラットホーム（１４）と、
   前記プラットホームの前記翼形部と反対側にある面に取付けられたダブテール（１６）と、
   前記プラットホームに隣接する前記ダブテールのネック部（２４）と、
   前記ネック部の前面から前記ブレードの前縁により形成される線を越えて該ネック部内の所定の位置まで延びる、前記プラットホームにほぼ平行な該ネック部内のスロットと、
   を含むことを特徴とする軸流圧縮機のブレード（１０）。
2. 前記スロット（３０）が、前記ネック部の幅全体にわたって延びていることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 前記スロット（３０）が、鍵穴形状のスロットであることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
4. 前記スロットが、該スロットの前部における狭い間隙と該スロットの後部における円筒形開口（３６）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
5. 前記スロットが、前記ネック部の前面から該スロットの円筒形開口（３６）部分まで延びる狭い間隙（３２）を有することを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
6. 前記円筒形開口が、前記スロットの狭い間隙（３２）からオフセットした軸線（３８）を有することを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
7. 前記スロット内にぴったり嵌合するような形状にされたインサート（４０）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
8. 狭い長方形セクションが円筒形セクションに取付けられたインサート（４０）を更に含み、前記インサートが、前記スロット内に嵌合されていることを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
9. 前記ブレード（１０）が、第１段圧縮機ブレードであることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
10. プラットホーム（１４）及びダブテール（１６）を有する圧縮機ブレード（１０）の翼形部（１２）の前縁（２２）に遠心応力及び振動応力がかからないようにする方法であって、
    （ａ）前記プラットホームの前部部分の下方の前記ダブテール内に、前記翼形部の前縁の下に位置するようにスロット（３０）を形成する段階と、
    （ｂ）前記スロットの端部に、前記プラットホームにほぼ平行でありかつ前記ダブテールを貫通して延びるように円筒形開口を形成する段階と、
    （ｃ）前記スロットと前記円筒形開口とを形成することによって、前記ブレードの前縁の少なくとも根元（２０）にかかる遠心荷重及び振動荷重を減少させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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