JP2004332738A - 第２段タービンバケット翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、第２段タービンバケットの翼形部輪郭に関する。
【解決手段】 第２段バケット（２２）は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った翼形部輪郭（２３）を有し、前記表Ｉにおいて、Ｘ、Ｙ及びＺはインチで表されている。Ｚは、エンジン中心線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離を示す。Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離である。Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する。Ｘ及びＹ距離と任意選択的にＺ距離とは、バケットの拡大又は縮小された翼形部セクションを得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であるようにすることができる。Ｘ、Ｙ及びＺ距離で与えられた基準翼形部は、±０．０１６インチのエンベロープ内に在る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービン段のタービンバケットに関し、具体的には第２段タービンバケットの翼形部輪郭に関する。

タービンバケット、特にその翼形部の設計及び構造には、最適な空気力学的効率並びに空気力学的及び機械的バケット負荷を含む多くの考慮事項がある。その上、バケット翼形部設計では、先端シュラウドを有するバケット翼形部に関連する不整合及び係合の問題が生じる可能性も考慮しなければならない。明らかと思うが、タービンにおける一部のバケットは、円周方向の前縁及び後縁に沿って互いに円周方向に係合する先端シュラウドを備えている。一般的に、シュラウドは、固定シュラウドと協働してバケット翼形部の両側の高圧及び低圧領域間で高温ガスがバイパスするのを密封するシールを支持する。さらに、シュラウドは、長くかつ細いバケット上に設けられて、該シュラウドが互いに係合することによってバケット翼形部に剛性を付加する。しかしながら、空気冷却式バケットの場合、示差熱膨張及びねじれにより、シュラウドの互いの係合が不十分になることがある。つまり、シュラウドの１つの端縁が、隣接するシュラウドの対向する端縁の半径方向内側に位置することがある。隣接するシュラウド間で理想的な係合になっていないと、不都合な荷重により、接触点に一層高い応力を生じる。接触が失われるか又は最少になった場合、シュラウドを用いることによって振動を減衰して高サイクル疲労を回避する利点が、最少になるか或いは全く失われる。最適より劣る先端シュラウド係合は、先端シュラウドのクリープ寿命に悪影響を与え、部品寿命を短縮する。また、その翼形部を含むただ１つのバケットの損傷により、タービン全体が使用から外されることになるのが分かるであろう。このことにより、タービンのユーザは、停止の費用を含む時間が掛かりかつ費用が掛かる修理を行うことになる。

本発明の好ましい実施形態によると、好ましくはガスタービンの第２段の空気冷却式先端シュラウド付き翼形部用の固有のタービンバケット翼形部輪郭が提供される。本バケット翼形部輪郭は、部品寿命を著しく延ばしかつ修理費用を著しく低減することを可能にする、シュラウド間係合の大きな改善をもたらす。さらに、翼形部は、得られた翼形部の局所クリープを減少させ、ＨＣＦマージンの改善をもたらす。バケット翼形部輪郭は、必要な効率、負荷及び先端シュラウド係合の要件を達成するような、固有の点の軌跡によって定められる。これらの固有の点の軌跡は、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準翼形部輪郭を定め、以下に示す表ＩのＸ、Ｙ及びＺデカルト座標により特定される。表Ｉに示す座標値に対する点は、バケット翼形部の翼形部高さの１０〜９０％スパン内の様々な断面における低温すなわち室温の輪郭のためのものである。Ｘ、Ｙ及びＺ座標は、距離のディメンション、例えばインチの単位で与えられる。Ｘ及びＹ座標値は、各Ｚ位置において互いに滑らかに結合されて滑らかな連続した弓形の翼形部輪郭断面を形成する。Ｚ座標は、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向の距離である。各Ｚ距離における各形成された翼形部輪郭セクションは、隣接する翼形部輪郭セクションと滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する。

各バケット翼形部は使用中に高温になるので、応力及び温度の結果として、その輪郭が変化することになることが分かるであろう。従って、低温すなわち室温輪郭は、製造目的のためのＸ、Ｙ及びＺ座標によって与えられる。製造されたバケット翼形部輪郭は、下表により与えられた基準翼形部輪郭とは異なる可能性があるために、基準輪郭に沿った任意の表面位置対して垂直な方向の、あらゆる被膜プロセスを含む該基準輪郭から±０．０１６インチの距離により、このバケット翼形部の輪郭エンベロープが定まる。この設計は、このような差異に強く、バケットの機械的機能及び空気力学的機能を損なうことがない。

翼形部は、類似のタービン設計に取り入れるために幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。その場合、下に与えられた基準翼形部輪郭のインチで表したＸ及びＹ座標は、同一の定数又は数値の関数とすることができる。すなわち、インチで表したＸ及びＹと任意選択的にＺとの座標値を、同一の定数又は数値により乗算又は除算して、翼形部断面形状を維持しながらバケット翼形部輪郭の拡大又は縮小バージョンを得ることができる。

本発明による好ましい実施形態では、翼形形状を有するバケット翼形部を含むタービンバケットが提供され、該翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する。

本発明による別の好ましい実施形態では、翼形形状を有するバケット翼形部を含むタービンバケットが提供され、該翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある被膜のない基準翼形部輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成し、Ｘ及びＹ距離は、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数の関数として拡大縮小可能である。

本発明による更に別の好ましい実施形態では、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンが提供され、バケットの各々は、翼形形状を有するバケット翼形部を含み、該翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する。

本発明による更に別の好ましい実施形態では、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンが提供され、バケットの各々は、翼形形状を有するバケット翼形部を含み、該翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成し、Ｘ及びＹ距離は、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数の関数として拡大縮小可能である。

ここで図１を参照すると、この図は、その中で本明細書に記載した翼形部輪郭２３を有する第２段タービンバケット２２を使用することができる、全体を符号１０で表したタービンの一部を示す。タービン１０は、第１、第２及び第３段ロータホイール１４、１６及び１８を有するロータ１２を含み、該第１、第２及び第３段ロータホイール１４、１６及び１８は、様々なロータ段のそれぞれのステータベーン２６、２８及び３０と組み合わさったバケット２０、２２及び２４を有する。３段のタービンを図示しているのが分かるであろう。

第２段は、上流のステータベーン２８と軸方向に対向してその上にバケット２２が支持されたロータホイール１６を含む。第２段ホイール１６の周りには複数のバケットが互いに円周方向に間隔を置いて配置され、このケースでは、第２段ホイール１６上には９２個のバケットがある。

次ぎに図５及び図６を参照すると、これら図は、第２段のバケット２２を示す。各バケット２２は、プラットフォーム３２上に支持されたバケット翼形部３０を含み、バケットはさらに、シャンク３４及びダブテール３６を含む。翼形部３０の先端に隣接して、シール４０及びカッタ歯４２を支持するシュラウド３８が設けられる。シュラウド３８は、タービンの固定ケーシングの一部を形成する固定シュラウドと半径方向に対向して位置する。タービンの高温ガス通路内に位置する翼形部の両側の高圧及び低圧領域間を密封するように、シール４０が設けられる。各シュラウド上のカッタ歯は、一般的に固定シュラウド内に幅広の溝を形成して、僅かな漏洩流がシール４０を通り抜けるのを許す。

図２、図８及び図９を参照すると、シュラウド３８は、円周方向の前縁及び後縁を有し、これら前縁及び後縁は、隣接するシュラウドのそれぞれ後縁及び前縁と係合する。シュラウドは、機械的には互いに結合されていないが、係合を維持するような形状になっている。隣接するシュラウドの前縁及び後縁は係合が不整合になることがあり、この不整合になった係合が部品寿命に悪影響を与えることが判明した。例えば、シュラウドは、互いに葺き屋根状態になる傾向がある。すなわち、図８及び図９に示すように、１つのシュラウドの後縁が隣接するシュラウドの前縁の上に重なるか又は該前縁の下に位置して、都合の悪い結果をもたらすおそれがある。バケット翼形部は、シュラウドの係合に特に影響を与えるものであり、本発明の翼形部輪郭は、翼形部の局所クリープを減少させかつ高サイクル疲労マージンを増大させて、最終的に一層高い部品寿命をもたらす。

表Ｉに示すＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系が、翼形部３０の輪郭を定める。Ｘ、Ｙ及びＺ座標における座標値は、表Ｉにはインチで記載されているが、他の寸法単位を用いることもできる。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有する。Ｚ軸は、タービンロータの回転軸線を通る平面に対して垂直に延び、またＸ及びＹ値を含む平面に対して垂直に延びる。表ＩにおけるＺの座標値は、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離を表す。Ｘ軸はタービンロータ中心線に平行に延び、Ｙ軸は接線方向に延びる。

Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向の選択された位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることにより、翼形部３０の輪郭を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することにより、各距離Ｚにおける各輪郭セクションが、決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置の表面輪郭は、隣接する輪郭セクションを互いに滑らかに接続して翼形形状を形成することによって決定される。これらの値は、周囲温度の非作動状態又は非高温状態における翼形部輪郭を表し、被膜のない翼形部のためのものである。

表Ｉの値は、翼形部の輪郭を決定するために小数点以下３桁まで作成されかつ示されている。翼形部の実際の輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と被膜とが存在する。従って、表Ｉに示す輪郭の値は、基準翼形部のためのものである。それ故、あらゆる被膜厚さを含む一般的な±製造公差、すなわち±値が、下表Ｉに示すＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．０１６インチの距離が、この特定のバケット翼形部設計及びタービンに対する翼形部輪郭エンベロープを定める。

下表Ｉに示した座標値は、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある好ましい基準翼形部輪郭エンベロープを提供する。
表Ｉ

上記の表に開示した翼形部は、他の類似のタービン設計において使用するために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。その結果、表Ｉに記載した座標値は、翼形部セクション形状が変化しない状態に維持されて、率に応じて拡大又は縮小することができる。表１の座標の拡大又は縮小バージョンは、同一の定数又は数値により乗算又は除算された、Ｘ、Ｙ及び任意選択的にＺ座標値によって表されることになる。

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示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

バケット及びそのバケット翼形部を用いる第２段タービンホイールを有するタービンの一般化概略図。 バケット翼形部上に形成されたシュラウドの半径方向内向きに見た端面図。 本発明の好ましい実施形態の側面図。 Ａ〜Ｋは、図３に示すほぼ線４Ａ〜４Ｋ−４Ａ〜４Ｋにおいて取った断面を示す図。 図３に示したのと類似した本発明のバケットの図３とは反対側から見た側面図。 タービンホイール内で見られる状態でのバケットの、前縁から軸方向に見た図。 本発明のバケットの斜視図。 不整合状態になった隣接シュラウド間の係合を示す斜視図。 係合不良のシュラウド、すなわち葺き屋根状態のシュラウドの概略図。

符号の説明

２２ バケット
３０ 翼形部
３２ プラットフォーム
３４ シャンク
３６ ダブテール
３８ シュラウド
４０ シール
４２ カッタ歯

Claims (13)

1. 翼形形状を有するバケット翼形部（２３）を含むタービンバケット（２２）であって、
   前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
   前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する、
   タービンバケット。
2. タービンの第２段の一部を形成する、請求項１記載のタービンバケット。
3. 前記翼形形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．０１６インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンバケット。
4. 前記翼形部が、該翼形部の先端に隣接したシュラウド（３８）を有する、請求項１記載のタービンバケット。
5. 翼形形状を有するバケット翼形部（２３）を含むタービンバケット（２２）であって、
   前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある被膜のない基準翼形部輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
   前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成し、
   前記Ｘ及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数の関数として拡大縮小可能である、
   タービンバケット。
6. タービンの第２段の一部を形成する、請求項５記載のタービンバケット。
7. 前記翼形形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．０１６インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項５記載のタービンバケット。
8. 前記翼形部が、該翼形部の先端に隣接したシュラウド（３８）を有する、請求項５記載のタービンバケット。
9. 複数のバケット（２２）を有するタービンホイールを含むタービンであって、
   前記バケットの各々が、翼形形状を有するバケット翼形部（２３）を含み、
   前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
   前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成する、
   タービン。
10. 前記タービンホイールが、該タービンの第２段を含む、請求項９記載のタービン。
11. 前記タービンホイールが、該タービンの第２段を含み、前記翼形形状の各々が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．０１６インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項９記載のタービン。
12. 前記タービンホイールが該タービンの第２段を含み、該タービンホイールが９２個のバケットを有し、Ｘが該タービンの回転軸線に平行な距離を表している、請求項９記載のタービン。
13. 複数のバケット（２２）を有するタービンホイール（１６）を含むタービンであって、
    前記バケットの各々が、翼形形状を有するバケット翼形部（２３）を含み、
    前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った、翼形部高さの１０〜９０％スパンの範囲にある基準輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚは、タービンの回転軸線を通る平面からの該平面に対して垂直な方向のインチで表した距離であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
    前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形形状を形成し、
    前記Ｘ及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数の関数として拡大縮小可能である、
    タービン。