JP2005090506A - タービン機械の動翼接合部 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン機械の動翼接合部で、各動翼１に堅固に結合された１対の付加部２が、タービン機械の運転中に押圧体７を介して、隣接する付加部２に支持され、各押圧体７の保持輪郭部１０が、所属の付加部２に形成された受容部１１内に突入して、この受容部１０内で周方向３及びこれと直交する方向で支持され、各押圧体７が支持側９に備えた平らな支持面１３が、少なくともタービン機械の運転中に、平らな対抗支持面１４で面状に支持されている形式ものを改良して、製造公差、遊び、弾性変形等の要因を滑動運動によって補償できるようにする。
【解決手段】互いに支持し合う、それぞれ１対の付加部２に少なくも１つの押圧体１が配属され、この押圧体１の保持輪郭部１０が球区分として構成され、所属の受容部１１が同様に球区分として構成され、この受容部の球区分の曲率半径Ｒが、前記保持輪郭部１０の球区分の曲率半径Ｒと少なくともほぼ同じである。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン機械の動翼接合部であって、それぞれ１対で各動翼に堅固に結合された、周方向に延びる複数の付加部を有しており、これらの付加部が、少なくともタービン機械の運転中にそれぞれ少なくとも１つの押圧体を介して、周方向で隣接する付加部に支持されるようになっており、各押圧体が、所属の付加部に向いた保持側に保持輪郭部を有しており、この保持輪郭部は、所属の付加部に形成された受容部内に突入して、この受容部内において周方向で及び周方向に対して直交する方向で支持されるようになっており、各押圧体が、隣接する付加部に向いた支持側に平らな支持面を有しており、この支持面は、少なくともタービン機械の運転中に、隣接する付加部に配属された平らな対抗支持面で面状に支持されている形式のものに関する。

このような形式の動翼接合部は、ドイツ連邦共和国特許第３５１７２８３号明細書により公知である。この公知の動翼接合部によれば、各押圧体が、所属の付加部に向いた保持側で保持輪郭部を有しており、この保持輪郭部が、所属の付加部に形成された受容部内に突入して、この受容部内において周方向で、及び周方向に対して直交する方向で支持されている。さらにまた各押圧体は、隣接する付加部に向いた支持側で平らな支持面を有しており、この平らな支持面は、隣接する付加部に所属する平らな対抗支持面において面状に支えられている。公知の動翼接合部においては、押圧体の保持輪郭部はそれぞれ円錐形体として構成されている。所属の受容部も同様に円錐形に構成されていて、この場合、保持輪郭部の円錐形は、受容部の円錐形の円錐性とは異なる円錐性を有している。このような構成によって、支持面と押圧体との製造公差が、円錐形保持輪郭部の外側縁部と円錐形受容部の外側縁部とがわずかに塑性変形することによって補償されるようになっている。公知の動翼接合部の変化実施例によれば、押圧体の支持面が支えられている対抗支持面は、押圧体と同じ構造の対抗押圧体の支持面によって形成されるようになっている。

公知の動翼接合部は、タービン機械の運転中に、もっぱら支持面に対して平行に延びる相対運動が発生する時に、最適に機能するようになっている。この場合、支持面は対抗支持面で滑動する。しかしながら実際には、互いに支持し合う若しくは互いに接続する付加部間の相対運動は、平行にのみ発生するのではない。特にタービンの高出力運転時又は所定の低負荷運転段階時に、例えば最後のタービン段の換気中において、動翼及びひいては付加部のねじれ及びよじれが発生し、これが特に動翼接合部の過大な振動負荷を引き起こすことになる。しかも付加部間の回転運動は、各押圧体受容部の線状負荷又は点状負荷を生ぜしめ、これによって硬い押圧体が脆くなって破壊に至り、若しくは押圧体先端部にひび割れが形成されることになる。
ドイツ連邦共和国特許第３５１７２８３号明細書

そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式の動翼接合部を改良して、製造公差、遊び、弾性変形等の要因を、もっぱら滑動運動によって補償できるようにすることである。

この課題を解決した本発明によれば、互いに支持し合う、それぞれ１対の付加部に少なくも１つの押圧体が配属されていて、この押圧体の保持輪郭部が球区分として構成されており、所属の受容部が同様に球区分として構成されていて、この受容部の球区分の曲率半径が、前記保持輪郭部の球区分の曲率半径と少なくともほぼ同じ大きさに構成されている。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。

本発明は、押圧体の保持輪郭部及び所属の受容部の輪郭を、相補的な（互いに補い合う；komplementaer）球区分として構成するという一般的な考え方に基づいている。このような構造形式によって、一方では押圧体が所属の負荷部に面状に支持される。また他方では、このような手段によって、所属の付加部における押圧体の球ヘッド支承部（Kugelkopflagerung）が形成され、この球ヘッド支承部によって、押圧体はその支持面が球中心点を中心にして回転することができる。例えば定格回転数の高出力運転中における、付加部若しくは動翼のより大きい調節回転運動時に、回転可能に支承された押圧体がこの相対運動を補償できるようになっているので、互いに支持し合う若しくは互いに接続された付加部間の面状の力伝達が常に得られる。本発明による動翼接合部においては、動翼若しくは付加部の変化する角度位置が、可動に支承された押圧体の自動的な調節を生ぜしめる。これによって応力ピークは避けられる。これに対して、定格回転数の運転中には、面状の当接によって摩擦減衰が完全に有効となる。高周波の傾倒運動が生じることはない。

本発明の有利な実施例においては、保持輪郭の球区分は球中心点を有しており、これに対して支持面は円形であって、円中心点を有している。押圧体は、円中心点及び球中心円を通って延びる直線が、支持面の平面に対して垂直に位置するように構成されている。言い換えれば、押圧体はこの直線に関連して回転対称的に構成されている。この構造によって、付加部若しくは動翼のほぼ任意に空間的に位置決めされた回転及びねじれの補償が得られる。

隣接する付加部に配属され、かつ押圧体の支持面が面状に支えられている対抗支持面は、例えば隣接する付加部の端面側に直接形成されている。

選択的に、この対抗支持面は対抗支承部材に形成されており、この対抗支承部材は隣接する付加部の端面側に固定されている。同様に、対抗支持面を、隣接する付加部に保持された対抗押圧体の支持面によって形成してもよい。しかしながら、対抗押圧体がその対抗支持面の垂直線方向に関連してよろめき運動を実施しない実施例が有利である。このような形式で、すべての補償運動はもっぱら球を介して支承された押圧体によって行われる。これによって、可動な押圧体は、付加部の相応のねじれにおいて、常に再び自動的にその初期位置に戻り調節される。

対抗押圧体のためには、対抗押圧体の保持輪郭及び所属の受容部が円錐形若しくは円錐台形として構成されており、この場合、２つの円錐台形は同じ円錐性（Konizitaet）を有している。このような形式で、一方では対抗押圧体が所属の付加部に面状に当接する。他方では対抗押圧体はその長手方向中心軸線に関連して付加部に堅固に固定されていて、それによってこの付加部で支えられる押圧体のための対応受けとして用いられる。

本発明による動翼接合部のその他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面及び、図面に関する説明に記載されている。

本発明の有利な実施例が図面に示されていて、以下に詳しく説明されている。この場合、同じ又は類似の又は機能的に同じ構成部材には、同じ符号が付けられている。

図１のａ）及び図１のｂ）に示されているように、図示していないタービン機械の動翼１は、動翼ディスクのそれぞれ異なる側に配置されたそれぞれ２つの付加部２を備えている。これらの付加部２は、矢印で示した周方向３（動翼がタービン機械の運転中に回転する方向）に延びている。これらの付加部２は、各動翼１に堅固に結合されていて、特に各動翼１の一体的な構成部分を形成している。付加部２は有利には、流れに関して好都合なプロフィールを有する支持翼として構成されていて、原則として動翼１の半径方向の両端部に配置されている。しかしながら基本的に付加部２は、動翼１の半径方向外側端部に配置されたカバープレートとして又はカバーベルトとして構成されている。しかしながら付加部２は基本的に別の結合部材として構成されていてもよい。

図１のａ）に示した運転停止状態において、周方向３で、隣接し合う付加部２の互いに向き合う端面側４間にギャップ５が形成されている。図１のｂ）に示した運転状態において、遠心力が、図１のａ）の矢印６に相応して動翼を引き離すように働く。この場合ギャップ５は閉鎖する。

図１のａ）及び図１のｂ）とは異なり、付加部２は、その端面側４が互いに直接当接し合っているのではなく、少なくとも１つの押圧体を介して間接的に当接し合っている（図２〜図４参照）。図面を簡略化するために、押圧体７は図１のａ）及びｂ）には示されていない。

図２〜図４の断面図には、タービン機械の少なくとも運転中に互いに支持し合う１対の付加部２の互いに向き合う端部区分の断面図が示されており、これに対して、この範囲に配置された押圧体７は断面して示されてはいない。図２〜図４に示した断面図は、図１のｂ）の図平面の断面ラインIIを中心にして９０゜回転せしめられた断面図にも相当する。

図２〜図４に示されているように、各押圧体７は球状の保持側８と平らな支持側９とを有している。保持側８は、それぞれ押圧体７が配属されている所属の付加部２（図２〜図４によればそれぞれ右側の付加部２）の側に向いており、これに対して支持側９は、周方向３で隣接する付加部２（図２〜図４によればそれぞれ左側の付加部２）の側に向いている。保持側８には、突き出した保持輪郭１０が形成されている。押圧体７が配属されている所属の付加部２は、その端面側４で受容部１１を有しており、この受容部１１内に押圧体７の保持輪郭１０が挿入されている。それによって、保持輪郭１０は受容部１１内に突入していて、この受容部１１内において周方向３で、並びに周方向３に対して直交する方向で支持される。本発明によれば、保持輪郭１０は球区分として構成されている。この保持輪郭１０に対して相補的に（komplementaer）受容部１１も同様に球区分として構成されている。この場合、保持輪郭１０の球区分及び受容部１１の球区分は同じ曲率半径Rを有しており、それによって保持輪郭１０の球区分は受容部１１の球区分に面状に当接している。それによって同時に、本発明による押圧体７は一種の球継手を形成している。この球継手は、ジョイントソケット（Gelenkpfanne)内で球中心点１２を中心にして所属の付加部２に可動に支承されている。この場合、ジョイントソケットは受容部１１によって形成されている。接触領域で緊締状態を最適化するために、押圧体７及び受容部１１の半径は、互いにやや異なっている。

押圧体７はその支持側９で平らな支持面１３を有している。図２〜図４に示されているように、押圧体７は少なくともタービン機械の運転中にその支持面が、隣接する支持翼（付加部）２に配属された対抗面１４で支えられている。対抗支持面１４も平らに構成されているので、支持面１３及び１４は互いに平らに当接し合っている。

図２〜図４に示されているように、本発明による押圧体７は、互いに接続された付加部２間で有利には大きい力Fを周方向３に伝達する。さらにまた摩擦によって、隣接し合う動翼１間の連結モーメントMも、互いに接続された付加部２を介して伝達される。しかも所属の付加部２において押圧体７が可動に支承されていることに基づいて、隣接し合う動翼１若しくは互いに支持された付加部２間の回転調節又はねじれが補償される。押圧体７が以上のように支承されていることによって、支持面１３と１４との間の平らな当接が維持され、また保持輪郭１０と受容部１１との間の平らな当接も維持される。

それによって、本発明による動翼接合は、運転中、特に始動時及び運転停止時に、付加部２の衝撃的な回転運動及び種々異なる角度調節を補償することができ、しかもこの場合、過大な弾性的な変形又は塑性変形が発生することがない。

支持体７の幾何学形状は有利には、支持面１３が円形に形成されていて、円中心点１５を有するように選定されている。この場合、球状の保持輪郭１０は、円中心点１５及び球中心点１２を通って延びる直線１６が、支持面１３の平面に垂直に位置するように、平らな支持面１３に合わせられている。これによって押圧体７のための回転対称性が得られるので、これによって得られた支承部はすべてのスペース方向に同様に作用する。

図２に示した実施例では、対抗支持面１４が隣接する付加部２の端面側４に直接形成されている。

選択的に、図３に示した実施例によれば、特別な対抗支承部材１７にも対抗支持面１４が形成されている。この対抗支承部材１７は隣接する付加部２の端面側４に、特にはんだ付け又は溶接によって固定されている。図示の実施例では、対抗支承部材１７は、隣接する付加部２の端面側４に埋め込まれたプレートとして構成されている。

図４に示した実施例では、対抗押圧体１８にも対抗支持面１４が形成されている。この場合、ドイツ連邦共和国特許出願第３５１７２８３号明細書に開示された構造的な形状が対象となっている。対抗押圧体１８は、押圧体７と同様に、対抗支持面１４を形成する平らな支持面を備えた支持側１９を有している。さらにまた、対抗押圧体１８も保持側２０を備えており、この保持側に保持輪郭２１が形成されている。対抗押圧体１８の保持輪郭２１も、隣接する付加部２に形成された相応の受容部２２内に挿入されている。対抗押圧体１８の保持輪郭２１の形状付与及び、この保持輪郭２１と協働する受容部２２は、対抗押圧体１８が所属の付加部２に対して相対的に位置固定されるように、互いに合わせられている。これは、保持輪郭部２１が円錐形体として構成されていて、これに対応して所属の受容部２２も、保持輪郭部２１の円錐性と同じ円錐性を有する円錐形に構成されていることによって得られる。従って対抗押圧体１８の保持輪郭２１は、受容部２２に面状に当接している。対抗押圧体１８をその長手方向中心軸線を中心にして回転させることは基本的に可能であるが、この場合、その対抗支持面１４の面は所属の付加部２に対して相対的に不変である。

押圧体７の平らな支持面１３及び、この支持面１３と協働する対抗支持面１４を摩耗から保護するために、支持面１３及び／又は対抗支持面１４は、摩擦しにくいコーティングを備えている（図示せず）。それと同時に、この手段によって、支持面１３若しくは対抗支持面１４の面において発生する摩擦力が減少される。

摩耗減少に対して付加的に又は選択的に、押圧体７若しくは対抗押圧体１８は、少なくとも支持面１３若しくは対抗支持面１４を有する区分が適当な硬質合金より構成されている。同様に図３に示した対抗支承部材１７も適当な硬質合金より製造されている。

ａ）は、運転停止状態にある動翼付根部分の平面図、ｂ）は、運転状態にある動翼付根部分の平面図である。 互いに結合された２つの付加部の、図１ｂ）のII−II線に沿った断面図である。 別の構造を示す、図２と同様の断面図である。 別の構造を示す、図２と同様の断面図である。

符号の説明

１ 動翼、 ２ 付加部／支持翼、 ３ 周方向、 ４ 付加部／支持翼の端面側、 ５ ギャップ、 ６ モーメント、 ７ 押圧体、 ８ 押圧体の保持側、 ９ 押圧体の支持側、 １０ 保持側の保持輪郭、 １１ 受容部、 １２ 球中心点、 １３ 押圧体の支持側９の支持面、 １４ 対抗支持面、 １５ 円中心点、 １６ 直線、 １７ 対抗支承部材、 １８ 対抗押圧体、 １９ 対抗押圧体１８の支持側、 ２０ 対抗押圧体１８の保持側、 ２１ 対抗押圧体１８の保持側２０の保持輪郭、 ２２ 受容部、 Ｒ 曲率半径、 Ｆ 力、 Ｍ 連結モーメント

Claims (6)

1. タービン機械の動翼接合部であって、周方向（３）に延びる複数の付加部（２）を有しており、この付加部（２）は、それぞれ１対で各動翼（１）に堅固に結合されていて、少なくともタービン機械の運転中にそれぞれ少なくとも１つの押圧体（７）を介して、周方向（３）で隣接する付加部（２）に支持されるようになっており、
   各押圧体（７）が、所属の付加部（２）に向いた保持側（８）に保持輪郭部（１０）を有しており、この保持輪郭部（１０）は、所属の付加部（２）に形成された受容部（１１）内に突入して、この受容部（１０）内において周方向（３）で及び周方向（３）に対して直交する方向で支持されるようになっており、
   各押圧体（７）が、隣接する付加部（２）に向いた支持側（９）に平らな支持面（１３）を有しており、この支持面（１３）は、少なくともタービン機械の運転中に、隣接する付加部（２）に配属された平らな対抗支持面（１４）で面状に支持されている、
   形式のものにおいて、
   互いに支持し合う、それぞれ１対の付加部（２）に少なくも１つの押圧体（１）が配属されていて、この押圧体（１）の保持輪郭部（１０）が球区分として構成されており、
   所属の受容部（１１）が同様に球区分として構成されていて、この受容部の球区分の曲率半径（Ｒ）が、前記保持輪郭部（１０）の球区分の曲率半径（Ｒ）と少なくともほぼ同じ大きさであることを特徴とする、
   タービン機械の動翼接合部。
2. 対抗支持面（１４）が隣接する付加部（２）の端面側（４）に直接形成されている、請求項１記載の動翼接合部。
3. 対抗支持面（１４）が、対抗押圧体（１８）の支持面によって形成されており、この対抗支持面はその保持輪郭部（２１）が、隣接する付加部（２）に形成された受容部（２２）内に突入している、請求項１記載の動翼接合部。
4. 対抗押圧体（１８）の保持輪郭部（２１）が円錐形体として構成されており、これに対応して所属の受容部（２２）も、保持輪郭部（２１）の円錐形体の円錐性と同じ円錐性を有する円錐形に構成されている、請求項３記載の動翼接合部。
5. 対抗支持面（１４）が対抗支承部材（１７）に形成されており、この対抗支承部材（１７）が隣接する付加部（２）の端面側に固定されている、請求項１記載の動翼接合部。
6. 支持面（１３）及び／又は対抗支持面（１４）が、摩擦が少なく、かつ抗摩耗性に構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の動翼接合部。

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