JP2004340144A - タービンのバケット用振動ダンパ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 バケット振動を減衰させるために隣接するバケット間に配置されたピンを含むダンパピン組立体を提供する。
【解決手段】 ダンパピン（４０）が、タービンロータの隣接するバケット（１０）間に配置される。第１のバケットは、タービンの冷間状態時にその上にダンパピンが静止している一対の軸方向に間隔を置いて配置された面を画成する円周方向に延びる支持部（２４）を有する。隣接するバケットには、そのプラットホームに隣接してアンダカット（３０）が設けられて、ダンパピンのほぼ対応する傾斜面（４８）の上に位置する傾斜面（３２）を形成する。ダンパピンは、凹部内部に僅かに緩く嵌合され、タービンが高速回転するとき、ダンパピンの傾斜面及び凹部が協働して該ダンパピンを第１のバケットに対して付勢し、それによってダンパピンが両方のバケットに係合し、振動作用を散逸させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロータホイールの周りで円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを有するタービンに関し、具体的には、バケット振動を減衰させるために隣接するバケット間に配置されたピンを含むバケットダンパ組立体に関する。

公知のように、タービンは一般的に、例えば複数のロータホイールからなるロータを含み、該ロータホイールの各々は複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持する。バケットは一般的に、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含み、該ダブテールは、バケットをタービンホイールに固定するように該ホイールのスロット又は開口内に受けられる。もちろん、翼形部は、ガス流路、例えばガスタービンの高温ガス流路内に突出し、ガスの運動エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。エンジン作動中に、振動がタービンバケット内に生じ、もし散逸されなければバケットの早期故障を引き起こすおそれがある。

バケットの振動作用を最少にするか又は排除するために、多数の異なる形態の振動ダンパがこれまで提案されかつ構成されてきた。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５及び特許文献６を参照されたい。これらの特許に開示された振動ダンパは、或る種のタービンにおいては振動を減衰するのに役立つかも知れないが、短いシャンク及びシュラウド無し翼形部先端を有するバケット全てに対して適用可能でありまた有効であるとは思われない。
特開２００２−０３０９０２号 特開平０５−１１８２０２号 特開２００２−２１３２０５号 米国特許第６４７８５４４号 特開平１０−０８２３０１号 米国特許第６４５０７６９号

従って、組立体及びピンは他のタービンバケットにも適用できるが、この種のタービンバケットに特に有効なピンを含むダンパ組立体を提供することが望ましい。

バケット上の短いシャンクはプラットホームの運動がより少ないので、結果として減衰効果がより小さくなることが分かるであろう。同じシャンクの幅及び厚さであるとすると、長さのより長いシャンクの場合にはその逆が当てはまる。振動によるプラットホームの振れは、バケットの全体長さに対するシャンク長さに直接関連する。シャンク長さ対全体長さの割合が、典型的な第１段バケットの割合よりも小さい段におけるバケットの場合には、このより低い割合により、プラットホームの振れの大きさはより小さくなり、従ってダンパ効果はより低くなる可能性がある。その先端にシュラウドを有するバケットの場合、シュラウドにより付加的な減衰を生じ、この減衰によりシュラウド付きバケットにおいてより短いシャンクを用いることの危険性が最小になる。しかしながら、バケットがシュラウド無しでありかつ短いシャンクを有する段におけるタービンバケットの場合には、減衰が不十分になる危険性が増大する。

本発明の好ましい実施形態によると、バケット間にダンパピンを有する組立体、例えば隣接するバケットの対を提供し、このダンパピンは、全速全負荷、全速無負荷及び過渡時に振動応力の振幅を低下させ、バケット寿命を延ばすのを可能にしかつ短いシャンクのシュラウド無しバケットにとって特に有効である。上述のことを達成するためにかつ好ましい実施形態においては、各バケットには、その円周方向の両側面、すなわち翼形部の正圧及び負圧側に対応する側面に沿って、隣接するバケット間にダンパピンを捕捉するのを可能にする構成が設けられる。具体的には、第１のバケットは、支持部、好ましくは一対のほぼ軸方向に間隔を置いて配置された支持部を含み、この支持部が、プラットホームの側端縁を越えかつ隣接する第２のバケットに向かって第１のバケットから離れるようにほぼ円周方向に突出する。支持部は、バケットの負圧側面から延びるのが好ましい。隣接する第２のバケットは、該第２のバケットのプラットホームの下に位置してほぼ軸方向に延びるアンダカットを含む。第２のバケットのアンダカット、第１のバケットに沿った支持面及びほぼ半径方向に延びる面は、１対のバケット間に第２のバケットのプラットホームの下に位置するほぼ三角形状のほぼ軸方向に延びる凹部を画成する。凹部は、第２のバケットによって形成された傾斜した面を含む。細長いダンパピンが、凹部内に配置され、ほぼ三角形の断面形状を有し、かつ該凹部内部に僅かに緩く嵌合（隙間嵌合）される。

タービンの冷間状態時、ダンパピンは、その全体が第１のバケットの支持部上に静止している。全速運転になると、ダンパピンは、ほぼ半径方向外向きに移動する。ダンパピン及び第２のバケットの整合した傾斜面は、ダンパピンを第１のバケットの半径方向面に係合するように付勢する。従って、ダンパピンは、それぞれ第１及び第２のバケットの半径方向面及び傾斜面に係合する。摩擦係合は、両方のバケットの振動運動を散逸させるのを可能にする。また、バケットのダンパピンとの接触面は、その間の面接触を向上させて振動散逸性能を高めるように機械加工されるのが好ましい。凹部はまた、軸方向外向きに開口し、取付けられたときダンパピンが目視可能になるようにすることができる。このことは、タービンを組立てたとき全てのダンパピンが取付けられていることを確認するために重要である。さもないと、より高い応力を引き起こすより大きい振動振幅が生じて、高サイクル疲労のためにバケットを破損させるおそれがある。さらに、断面が三角形、より具体的にはほぼ直角三角形の凹部及びダンパピンの形状構成により、使用中に引っ掛かることなくダンパピンを正確に配置するのを可能にする回転防止機構が得られる。従って、凹部及びダンパの形状構成により、耐摩耗性を向上させ、耐久性を増し、振動応力を効果的に減少させかつ高サイクル疲労による破損を防止する。

本発明による好ましい実施形態では、タービンホイール用バケットの組立体を提供を提供し、本組立体は、その各々がバケット翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを有する一対の円周方向に隣接するバケットを含み、ダブテールがバケットをタービンホイールに固定するような形状になっており、一対のバケットのうちの第１のバケットが、該第１のバケットの側面から該第１のバケットのプラットホームの側端縁を越えてほぼ円周方向に延びる第１の支持部を含み、支持部が支持面を含み、一対のバケットのうちの第２のバケットが、第１のバケットに向かってほぼ円周方向に開口しかつ該第２のバケットのプラットホームの下に位置するアンダカットを有し、アンダカットが、半径方向外向きにかつ第１のバケットに向かって傾斜した面を含み、第１のバケットが、支持部に隣接するほぼ半径方向に延びる面を含み、第１のバケットの半径方向に延びる面及び支持面が、第２のバケットのアンダカットの傾斜面と共に、一対のバケット間に該第２のバケットの下に位置する凹部を形成し、ダンパピンが隣接するバケット間でかつ凹部内に配置され、該ダンパピンが、支持面上に静止した第１の位置と第１のバケットの半径方向に延びる面及び第２のバケットの凹部の傾斜面に係合する第２の位置との間で該バケットの振動運動を散逸させるように該凹部内で移動可能である。

本発明による別の好ましい実施形態では、タービンホイール用バケットの組立体を提供し、本組立体は、その各々がバケット翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを有する一対の円周方向に隣接するバケットを含み、ダブテールがバケットをタービンホイールに固定するような形状になっており、一対のバケットのうちの第１のバケットが、該第１のバケットの側面から該第１のバケットのプラットホームの側端縁を越えてほぼ円周方向に延びる第１及び第２の支持部を含み、支持部が第１及び第２の支持面を含み、一対のバケットのうちの第２のバケットが、第１のバケットに向かってほぼ円周方向に開口しかつ該第２のバケットのプラットホームの下に位置するアンダカットを有し、アンダカットが、半径方向外向きにかつ第１のバケットに向かって傾斜した面を含み、第１のバケットが、接触面を含み、第１のバケットの接触面及び支持面が、第２のバケットのアンダカットの傾斜面と共に、一対のバケット間に該第２のバケットの下に位置する凹部を形成し、ダンパピンが隣接するバケット間でかつ凹部内に配置され、ダンパピンに沿った少なくとも1つのボスが、該ダンパピンの両軸方向への移動を防止するように支持部間に配置され、該ダンパピンが、支持面上に静止した第１の位置と第１のバケットの接触面及び第２のバケットの凹部の傾斜面に係合する第２の位置との間で該バケットの振動運動を散逸させるように該凹部内で移動可能である。

ここで図面、特に図１を参照すると、この図は、バケット翼形部１２、プラットホーム１４、シャンク１６及びダブテール１８を含む全体を符号１０で表したバケットを示す。図示したバケット１０は、タービンのロータの周りで該ロータに固定された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットのうちの１つであることが分かるであろう。例えば、ガスタービンは一般的に、バケット１０のダブテール１８を受けるための軸方向又は軸方向から僅かにオフセットしたダブテール形状の開口を備えた複数のロータホイールを有し、該ダブテール１８によって翼形部１２を含む円周方向に間隔を置いて配置されたバケットの環状列が、ロータの周りに形成される。図１及び図２を詳細に見ると、バケットプラットホームの各々の対向しかつ隣接する円周方向の端縁は、スラッシュ面２０及び２２を形成する。先に示したように、翼形部１２は、ガス流内に突出し、流体流の運動エネルギーがロータの回転により機械的エネルギーに変換されることを可能にする。

図２に示すように、本発明の組立体は、それぞれ円周方向に隣接する第１及び第２のバケット１２ａ及び１２ｂを含む。第１のバケット１２ａのスラッシュ面２０は、プラットホーム１４の側面に沿ってシャンク１６内に延びる。バケット翼形部１２の負圧側２１のシャンク１６は、スラッシュ面２０の側端縁を越えて突出する一対のほぼ軸方向に間隔を置いて配置された支持部２４を含む。各支持部２４は、バケットプラットホーム及びシャンクの対向する軸方向端部に隣接するほぼ円周方向に延びる棚又は支持面２６（図１）を含む。バケット１２ａの負圧側面の支持部２４間の領域は、全体的に開いた状態にありかつスラッシュ面２０にほぼ平行である。その結果、支持部２４は、バケットの負圧側面から隣接するバケットに向かって円周方向に突出する、該バケットのほぼ軸方向に対向する端部における棚２６を形成する。

図２に示すように、隣接する又は第２のバケット１２ｂは、バケット１２ｂの正圧側面のバケットプラットホーム１４のほぼ下方にアンダカット３０を含み、このアンダカット３０は、第２のバケットのプラットホーム１４及びシャンク１６の部分を含むことになる。アンダカット３０は、バケット１２ｂの正圧側面に沿って形成され、バケット１２ｂの後縁２３が図２に示されている。アンダカットは、バケットの軸方向全長にわたって延びかつ半径方向外向きに隣接する第１のバケットに向かって傾斜した傾斜面３２を含むことが分かるであろう。傾斜面３２は、フィレット領域３４で終る。第２のバケットのアンダカット３０は、第１のバケットの支持棚２６と共に隣接バケットの軸方向端部に隣接する一対の凹部３６を形成する。

次ぎに図３を参照すると、この図は、隣接するバケット間に形成された凹部３６に受けられる全体を符号４０で表したダンパピンを示す。ダンパピン４０は、図２及び図４に示すように、細長い断面がほぼ三角形状の要素を含む。一対の軸方向に間隔を置いて配置されたボス４４が、ダンパピン４０の下面に沿って設けられる。取付けられると、ボス４４は、ほぼ半径方向内向きに突出しかつタービンバケットの支持部２４間の距離よりも小さい距離だけ互いに間隔を置いている。ボス４４間のダンパピンの断面は、ほぼ正三角形であるが、ボス４４の軸方向外側のダンパピン４０の端部部分４６は、断面がほぼ直角三角形の形状をしており、斜辺及び底辺５０及び５２がそれぞれ三角形のほぼ半径方向及び接線方向に位置している。

再び図２を見ると、ダンパピン４０の端部部分４６は、第２のバケット上のアンダカット３２と第１のバケットの棚２６及びほぼ半径方向のスラッシュ面２０との間に配置されることが分かるであろう。従って、端部４６の形状構成は、凹部３６の形状構成とほぼ一致している。しかしながら、端部部分４６と凹部３６との間の嵌合は僅かに緩いので、凹部内でダンパピンが半径方向外向きに移動するのが可能になることが分かるであろう。その上に、ダンパピン４０は、アンダカット３０の傾斜面３２と全体としてダンパピン４０上の斜辺を形成する面４８との間で係合すると、第１のバケットに向かって移動することになる。つまり、ロータが全速回転になったとき、ダンパピン４０は、遠心力により半径方向外向きに移動すると、端部分４６と凹部３６との間の緩い嵌合（隙間嵌め）係合のために、面４８と傾斜面３２との間の係合を生じ、この係合によってダンパピンの半径方向面５０をスラッシュ面２０と強制的に係合させる。従って、ロータの全速回転時には、ダンパピンは、バケット１２ａ及び１２ｂの両方に係合する。

再び図２を見ると、ダンパピンは、バケットの少なくとも1つ軸方向端面、好ましくは軸方向端面から軸方向に露出すなわち目視可能であることが分かるであろう。その結果、ロータの組立て時に、ダンパピンが隣接するバケット間に取付けられていることを目視で判定することが可能である。また、ボス４４は取り付け時にダンパピン４０が凹部３６から軸方向に外れるのを阻止することも分かるであろう。一対のボス４４を示しているが、必要に応じて、ボス４４間の間隔に対応する距離だけ延びる単一のボスを同様に用いることができることが分かるであろう。

図５を参照すると、この図は、全体を符号６０で表したダンパピンの別の形態を示している。ダンパピン６０は、ダンパピン４０に対して説明したのと同一の外部表面形状構成を含む。しかしながら、この形態では、ダンパピン６０は、中空のコア６２、すなわち両端部の間で延びかつダンパピンの全長を貫通する通路６４を有することができる。一対の軸方向に整列した通路には、ダンパピン６０の両端部の中間位置で一対の通路間に配置されたダンパピンの中実部分を備えることができる。

タービンの作動において、タービンが作動していない時にはダンパピンは一般的に、支持部２４、具体的には棚２６上に静止している。しかしながら、高速回転時には、凹部内のダンパピンとの間の僅かに緩い嵌合により、ダンパピン端部４６が支持面２６から離昇してダンパピン４０の面４８及び傾斜面３２がダンパピンに対する遠心力作用により互いに係合するようになることを可能にする。さらに、この係合により、ダンパピンは円周方向に移動するように付勢されて、ダンパピンの基部５０がスラッシュ面２０に係合するようになる。ダンパピンが基部５０及び面４８に沿ってタービンバケット１２ａ及び１２ｂの両方に係合すると、バケットの振動は、ダンパピンとバケットとの間の摩擦接触により散逸される。

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であることを理解されたい。

本発明の好ましい実施形態によるダンパピンと組合されたバケットを示すバケットの一部分の部分斜視図。 隣接するバケット間のダンパピンを示すほぼ軸方向部分図。 ダンパピンの好ましい実施形態の斜視図。 隣接するバケット間の凹部内で振動を散逸させるように作動可能な位置にあるダンパピンを示す、図１のほぼ線４−４において取った拡大部分断面図。 本発明のダンパピンの別の形態を示す、図３と同様の図。

符号の説明

１０ バケット
１２ 翼形部
１２ａ 第１のバケット
１２ｂ 第２のバケット
１４ プラットホーム
１６ シャンク
１８ ダブテール
２０、２２ スラッシュ面
２１ 翼形部の負圧側
２４ 支持部
２６ 支持部の支持面
３０ アンダカット
３２ アンダカットの傾斜面
３４ フィレット領域
３６ 凹部
４０ ダンパピン
５０ 半径方向面

Claims (10)

1. タービンホイール用バケットの組立体であって、
   その各々がバケット翼形部（１２）、プラットホーム（１４）、シャンク（１６）及びダブテール（１８）を有する一対の円周方向に隣接するバケット（１２ａ、１２ｂ）を含み、前記ダブテールが前記バケットをタービンホイールに固定するような形状になっており、
   前記一対のバケットのうちの第１のバケット（１２ａ）が、該第１のバケットの側面から該第１のバケットのプラットホームの側端縁を越えてほぼ円周方向に延びる第１の支持部（２４）を含み、前記支持部が支持面（２６）を含み、
   前記一対のバケットのうちの第２のバケット（１２ｂ）が、前記第１のバケットに向かってほぼ円周方向に開口しかつ該第２のバケットのプラットホームの下に位置するアンダカット（３０）を有し、前記アンダカットが、半径方向外向きにかつ前記第１のバケットに向かって傾斜した面（３２）を含み、前記第１のバケットが、前記支持部に隣接するほぼ半径方向に延びる面（２０）を含み、前記第１のバケットの半径方向に延びる面及び支持面が、前記第２のバケットのアンダカットの傾斜面と共に、前記一対のバケット間に該第２のバケットの下に位置する凹部（３６）を形成し、
   ダンパピン（４０）が前記隣接するバケット間でかつ前記凹部内に配置され、前記ダンパピンが、前記支持面上に静止した第１の位置と前記第１のバケットの半径方向に延びる面及び前記第２のバケットの凹部の傾斜面に係合する第２の位置との間で前記バケットの振動運動を散逸させるように該凹部内で移動可能である、
   組立体。
2. 前記ダンパピン及び凹部は、該ダンパピンの第３の面（５２）がタービンホイールの回転に応じて前記支持面から離昇することが可能になるような寸法になっていることを特徴とする、請求項１記載の組立体。
3. 前記第１の支持部からほぼ軸方向に間隔を置いて配置されかつ前記ダンパピンを支持するための第２の支持面を有する前記第１のバケット上の第２の支持部（２４）を含み、前記ダンパピンに沿った少なくとも1つのボス（４４）が、前記ダンパピンの少なくとも1つの軸方向への移動を防止するように前記支持部間に配置されている、請求項１記載の組立体。
4. 前記第１の支持部からほぼ軸方向に間隔を置いて前記第１のバケット上に配置されかつ前記ダンパピンを支持するための第２の支持面を有する第２の支持部（２４）を含み、前記ダンパピンに沿った一対のボス（４４）が、前記ダンパピンの両軸方向への移動を防止するように前記支持面間に配置されている、請求項１記載の組立体。
5. 前記凹部が、前記バケットの共通の軸方向面に沿って開口し、軸方向からかつ前記バケット及びホイールの外部から目視できるように前記ダンパピンの端部が露出している、請求項１記載の組立体。
6. 前記ダンパピン及び凹部がほぼ三角形状であり、かつ前記ダンパピンがタービンホイールの回転軸線にほぼ平行な該ダンパピンの軸線の周りで回転するのを阻止するように互いに構成されたそれぞれの整合面（５０、２４、５２、２０）を有する、請求項１記載の組立体。
7. 前記凹部を画成する前記第１及び第２のバケットの面（２０、２６、３２）が、機械加工された面である、請求項１記載の組立体。
8. 前記第２のバケットに沿った前記凹部が、バケット翼形部の正圧面に対応する該バケットの側面上に位置している、請求項１記載の組立体。
9. 前記支持部（２４）が、前記第１のバケットの翼形部の負圧側に対応する該第１のバケットの側面から突出している、請求項１記載の組立体。
10. タービンホイール用バケットの組立体であって、
    その各々がバケット翼形部（１２）、プラットホーム（１４）、シャンク（１６）及びダブテール（１８）を有する一対の円周方向に隣接するバケット（１２ａ、１２ｂ）を含み、前記ダブテールが前記バケットをタービンホイールに固定するような形状になっており、
    前記一対のバケットのうちの第１のバケット（１２ａ）が、該第１のバケットの側面から該第１のバケットのプラットホームの側端縁を越えてほぼ円周方向に延びる第１及び第２の支持部（２４）を含み、前記支持部が第１及び第２の支持面（２６）を含み、
    前記一対のバケットのうちの第２のバケット（１２ｂ）が、前記第１のバケットに向かってほぼ円周方向に開口しかつ該第２のバケットのプラットホームの下に位置するアンダカット（３０）を有し、前記アンダカットが、半径方向外向きにかつ前記第１のバケットに向かって傾斜した面（３２）を含み、前記第１のバケットが、接触面（２０）を含み、前記第１のバケットの接触面（２０）及び支持面（２６）が、前記第２のバケットのアンダカットの傾斜面と共に、前記一対のバケット間に該第２のバケットの下に位置する凹部（３６）を形成し、
    ダンパピン（４０）が前記隣接するバケット間でかつ前記凹部内に配置され、前記ダンパピンに沿った少なくとも1つのボス（４４）が、該ダンパピンの両軸方向への移動を防止するように前記支持部間に配置され、前記ダンパピンが、前記支持面上に静止した第１の位置と前記第１のバケットの接触面及び前記第２のバケットの凹部の傾斜面に係合する第２の位置との間で前記バケットの振動運動を散逸させるように該凹部内で移動可能である、
    組立体。

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