JP2006322460A

JP2006322460A - 逃げ溝を有する急傾斜タービンカバー付きのバケット

Info

Publication number: JP2006322460A
Application number: JP2006138399A
Authority: JP
Inventors: Kevin J Barb; ケヴィン・ジョセフ・バーブ; Robert Edward Deallenbach; ロバート・エドワード・ディーレンバッハ; William Hunter Boardman Iv; ウィリアム・ハンター・ボードマン，フォース
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2006-11-30
Also published as: US20060263213A1; EP1724441A2; CN1865665A; US7270518B2

Abstract

【課題】逃げ溝を有する急傾斜タービンカバー付きのバケットを提供する。
【解決手段】蒸気タービンバケットカバー（２２）は、カバーの正圧側縁部上に設けられた前方及び後方クリアランス面（２８）、（３０）と、クリアランス面間に設けられた接触面（３４）と、前方クリアランス面（２８）と接触面（３４）との間に設けられたアンダカットフィレット（３６）とを有する。隣接するバケットカバーは、前方及び後方クリアランス面（３８、４０）と、クリアランス面間に設けられた接触面（４２）と、カバーの負圧側縁部に沿って前方クリアランス面と接触面との間に設けられた外側半径（４４）とを有する。アンダカットフィレット（３６）は、隣接するカバーの接触面間の締り嵌めにおける高い応力によって引き起こされるフレッチング損傷を最小にするか又は排除するために、２つの異なる半径を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンロータホイール上に取り付けた翼形部の上方に位置する急傾斜カバー付きのバケットに関し、具体的には、静的及び動的応力を緩和し、それによってフレッチング誘発高サイクル疲労割れ発生の可能性を排除又は最小にするために、カバー縁部の正圧側の接触面に隣接して急傾斜バケットカバーの内側コーナ部に形成された溝に関する。

１９９６年４月２３日に登録された従来技術の米国特許第５，５０９，７８４号においては、複数の急傾斜バケットカバーが開示されている。カバーは、バケットの翼形部と一体形であり、バケットは勿論、タービンホイールの周りに円周方向アレイの形態で取り付けられている。バケットカバーは、タービンロータの回転軸線にほぼ平行に延びかつバケット翼形部の両側に位置した前方及び後方クリアランス面を含む。クリアランス面の中間には、接触面及び半径が設けられる。各バケットの両側の隣接するカバーは、実質的に相補形状のカバー縁部を含み、それによってタービン作動中に、クリアランス面は互いに円周方向に間隔を置き、また接触面は互いに接触することが分かるであろう。隣接するカバーの接触面は、作動中にカバー間の結合を生じかつ維持する締り嵌めになっている。すなわち、カバーは、隣接するカバーの接触面が互いに接触した状態に維持されるように付勢される。しかしながら、これによって、カバーに沿って高サイクル疲労割れを引き起こす可能性がある応力がカバーに加わる。この潜在的な問題の分析は、高サイクル疲労割れがカバーの接触面の正圧側におけるフレッチング疲労の関数であることを示した。割れは、咬合い負圧側カバー接触面が正圧側接触面から離れるクリアランス面間の内側コーナ部半径に隣接する位置において正圧側接触面上で始まる。従って、このようなフレッチング及び割れ発生の可能性を緩和、排除又は劇的に低減する必要性がある。
米国特許第５，５０９，７８４号公報

本発明の好ましい実施形態では、タービン用バケットを提供し、本タービン用バケットは、正圧及び負圧側面とその上方に位置したカバーとを有する翼形部を含み、カバーは、翼形部の正圧側面に隣接してカバーの側縁部に沿って軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面と、クリアランス面の中間に設けられた接触面と、接触面とクリアランス面の１つとの間に設けられたアンダカットフィレットとを有する。

本発明の別の好ましい実施形態では、タービンの軸線の周りに円周方向アレイの形態で配置された複数のバケットを提供し、この複数のバケットの各々は、正圧及び負圧側面とその上方に位置したカバーとを有する翼形部を含み、各カバーは、翼形部の正圧側面に隣接してカバーの側縁部に沿って軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面と、クリアランス面の中間に設けられた接触面と、接触面とクリアランス面のうちの軸方向前方クリアランス面との間に設けられたアンダカットフィレットとを有し、各カバーは、翼形部の負圧側面に隣接してカバーの反対側の側縁部に沿って設けられた軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面と、負圧側クリアランス面の中間に設けられた接触面と、負圧側接触面と負圧側クリアランス面のうちの軸方向前方クリアランス面との間に設けられた外側半径とを有し、隣接するカバーの接触面が互いに接触した状態になり、隣接するカバーのクリアランス面が互いに円周方向に間隔を置いた状態になり、また各カバーのアンダカットフィレットが隣接するカバーの外側半径と間隔を置いて整合した状態になる。

次に図面、特に図１を参照すると、タービンロータホイール１２に固定された、その全体を符号１０で示した複数のタービンバケットを図示している。バケット１０は、タービンホイール１２の周りに全３６０°の円周方向アレイの形態で互いに間隔を置いて配置される。各バケットは、より大きい締り嵌め又は接線方向幅を有する可能性があるノッチブレードバケット（図示せず）と、ダブテール区域のみが異なる、ノッチブレードに隣接する２つのバケット（同様に図示せず）とを除き、同一である。各バケット１０は、ロータホイール１２のリム上の相補形ダブテール形状１８と組み合わされかつそれに摺動係合するためのパインツリー状スロット１６の形状を有するダブテール１４を含む。バケット１０は、ホイールに成形された半径方向挿入スロット（図示せず）内に半径方向内向きにダブテールを挿入しかつホイールのリムに沿って接線方向にバケットを摺動させることによって、スロットを介してロータホイール１２に付設される。

各バケット１０は、ダブテール１４に加えて、その末端においてバケットカバー２２で終端する翼形部２０を含む。バケットカバー２２は、バケット１０と一体形に形成されるのが好ましい。各カバーは、互いに同一であり、バケットカバーの全てを説明するのに、１つのバケットカバーを説明することで十分であろう。図２を参照すると、各バケットカバーは、前縁部２４と、後縁部２６と、それぞれの前縁部及び後縁部２４及び２６に隣接しかつ翼形部２０の正圧側面３２に隣接するカバー側縁部に沿った前方及び後方クリアランス面２８及び３０とを含む。クリアランス面２８及び３０間にかつ各カバー２２の正圧側に沿って、接触面３４とアンダカットフィレット３６とが設けられる。同様に、カバーの反対側縁部に沿って、クリアランス面３８及び４０がそれぞれ前縁部及び後縁部２４及び２６に隣接して設けられる。さらに、翼形部の負圧側面に隣接するカバー縁部に沿ってクリアランス面３８及び４０間に、接触面４２と外側半径４４とが設けられる。

各カバー２２の正圧側縁部、すなわち面２８、３０、３４及びフィレット３６は、その形状が、カバーのそれぞれの正圧側及び負圧側のアンダカットフィレット３６及び外側半径４４を除き、隣接カバーの負圧側縁部、すなわち表面３８、４０、４２及び半径４４とほぼ相補形であることが、図２の精査から分かるであろう。図示するように、隣接するカバーのクリアランス面２８及び３８は、タービンの通常の作動中に互いに円周方向に間隔を置いている。同様に、隣接するカバーのクリアランス面３０及び４０は、タービンの通常の作動中に互いに間隔を置いている。接触面３４及び４２は、通常の運転中に互いに係合する、すなわちこれらの面は締り嵌めになり、それによってカバーは、タービンの通常の作動中に互いに係合した状態に維持される。従来技術の米国特許第５，５０９，７８４号に述べられているように、隣接するカバー間の締り嵌めにより、組立て時に、回転、すなわちバケット半径の周りでのカバー及び翼形部先端のプレツイストが生じる。このことは、カバー接触面に沿った応力の発生を引き起こす。カバーの幾何学形状に起因して、接触面位置において比較的高い接触圧力が発生し、この領域において又はこの領域の近くにおいて正圧側接触面上にフレッチング損傷が発生する可能性があり、また比較的に高い静的及び動的曲げ応力がフレッチングを受けた材料に作用することになるので、このフレッチング損傷が疲労割れとして伝播する可能性がある。

本発明は、アンダカット逃げ溝を導入する、すなわち応力を接触面から遠ざけるように、従ってあらゆるフレッチング損傷部から遠ざけるように移動させるアンダカットフィレット３６をカバーの正圧側の接触面３４とクリアランス面２８との間に設けることによって、正圧側接触面３４におけるフレッチング疲労による割れ発生の可能性を排除又は低減する。本明細書で使用する場合のアンダカットフィレットという用語は、半径と線形面との接合部における半径の接線が線形面と一致しないような線形面間の１つ又はそれ以上の半径を意味する。

本発明の好ましい態様では、フィレット３６は、カバー縁部の正圧側の前方クリアランス面２８と接触面３４との間で延びる異なる半径を有する複合フィレットである。図３を参照すると、大きい方の半径５０は、クリアランス面２８に隣接し、小さい方の半径５２は、大きい方の半径５０と接触面３４とに隣接する。図示するように、大きい方の半径５０とクリアランス面２８との間の接合部は、クリアランス面２８と非平行であるか又は一致する半径の接線を有する。同様に、小さい方の半径５２と接触面３４との接合部は、接触面３４と非平行であるか又は一致する接線を有する。２つの異なる半径５０、５２は、それらの接合部において滑らかに連続する。大及び小の半径セクションを含む複合フィレット３６を利用することによって、応力は最小になるか又は排除される。フィレット内の大きい半径と組み合わされた小さい半径は、接触面の広さを維持する（そうでなければ、大きな半径により、接触面の大きな部分が排除されることになる）と同時に、フレッチングによって形成された微小割れの伝播の可能性を低減するのを可能にする。さらに、小さい方の半径は、接触面３４とほぼ９０度で交差させることによって、カバーの裏面の曲げに関係した応力を実質的に排除する。カバーの前縁部に向う大きい方の半径は、該大きな半径の位置においてカバー内の曲げ応力の集中を制御し、一方、小さい半径は、フレッチング作用を分断して、カバーの幾何学形状に起因するその領域内の曲げ応力を排除する。カバーの負圧側縁部は曲げ応力がより小さく、従ってフレッチング疲労の可能性がはるかに小さいことが分かるであろう。本明細書では、上述のアンダカットフィレットは、バケットの円周方向回転面に対して１０°〜２０°の接触面角度を有する急傾斜バケットカバー、好ましくは一体形カバーに適用したものとして説明しているが、アンダカットフィレットは、非急傾斜バケットカバー、すなわち円周方向回転面と２０°を超える角度をなす接触面においても使用することができる。

逃げ溝を使用してフレッチング疲労の可能性を低減又は排除する一般概念は、公知である。しかしながら、この概念は、バケットカバー又は急傾斜一体形バケットカバーにはこれまで適用されていない。むしろ、この概念は、タービンシャフトの他の態様に、すなわち焼き嵌めホイール及び継手でのフレッチング疲労を排除するのに適用されてきた。１つの公知の例外は、飛行機エンジンにおける低圧バケットカバー及びＺロック形バケットシュラウドに適用された逃げ半径である。しかしながら、これらの逃げ半径は一般的に、接触面長さを増大させ、またシュラウド接触クリアランス面間のコーナ部半径を拡大してフィレット応力を低減するために導入されている。一般的に、これらの逃げ半径は、クリアランス面をアンダカットするが、接触面をアンダカットするものではない。また、Ｚロック形バケットは一般的に、接触面上に硬質皮膜を採用して表面の摩損及び劣化に対して保護する。しかしながら、硬質皮膜は高価であり、また皮膜剥離についての潜在的な問題を伴う。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態である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、それどころか、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

本発明の好ましい態様により構成されたカバーを有するバケットがその上に取り付けられたタービンロータホイールの部分斜視図。バケット翼形部に対するそれらの配向と隣接するカバー間の接触面及びクリアランス面とを示す１対の隣接するカバーの半径方向内向きに見た図。本発明の好ましい態様による、カバーの正圧側の前方クリアランス面と接触面との間のアンダカットフィレットの半径方向内向きに見た部分拡大図。

符号の説明

１０バケット
２０翼形部
２２カバー
２４前縁部
３２正圧側面
３４、４２接触面
３６アンダカットフィレット
４４外側半径
２８、３０、３８、４０クリアランス面
５０、５２半径

Claims

正圧及び負圧側面とその上方に位置したカバー（２２）とを有する翼形部（２０）を含み、
前記カバーが、前記翼形部の正圧側面（３２）に隣接して前記カバーの側縁部に沿って軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面（２８）、（３０）と、前記クリアランス面の中間に設けられた接触面（３４）と、前記接触面（３４）と前記クリアランス面の１つとの間に設けられたアンダカットフィレット（３６）とを有する、
タービン用バケット。
前記フィレット（３６）が、異なる半径（５０）、（５２）で形成された複合フィレットを含む、請求項１記載のバケット。
前記アンダカット複合フィレット（３６）の大きい方の半径（５０）が、前記１つのクリアランス面（２８）に隣接して位置し、前記アンダカット複合フィレットの小さい方の半径（５２）が、前記接触面（３４）に隣接して位置する、請求項２記載のバケット。
前記大きい方の半径（５０）が、前記カバーの前縁部（２４）に向かう方向において前記小さい方の半径（５２）の位置に対して前方に位置する、請求項３記載のバケット。
前記複合フィレット（３６）の小さい方の半径（５２）が、前記接触面とほぼ直角に交差する、請求項４記載のバケット。
前記接触面が、タービン内での該バケットの円周方向回転面に対して１０°〜２０°の角度で延びる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバケット。
該バケット（１０）と前記カバー（２２）とが、互いに一体形に形成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のバケット。
タービンの軸線の周りに円周方向アレイの形態で配置され、その各々が正圧及び負圧側面とその上方に位置したカバーとを有する翼形部（２０）を含む複数のバケット（１０）であって、
各前記カバーが、前記翼形部の正圧側面（３２）に隣接して前記カバーの側縁部に沿って軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面（２８）、（３０）と、前記クリアランス面の中間に設けられた接触面（３４）と、前記接触面と前記クリアランス面のうちの軸方向前方クリアランス面との間に設けられたアンダカットフィレットとを有し、
各前記カバーが、前記翼形部の負圧側面に隣接して前記カバーの反対側の側縁部に沿って設けられた軸方向に間隔を置いて配置されたクリアランス面（３８）、（４０）と、前記負圧側クリアランス面の中間に設けられた接触面（４２）と、前記負圧側接触面（４２）と前記負圧側クリアランス面のうちの軸方向前方クリアランス面（３８）との間に設けられた外側半径（４４）とを有し、
前記隣接するカバーの接触面（３４）、（４２）が、互いに接触した状態になり、前記隣接するカバーのクリアランス面（２８）、（３０）、（３８）、（４０）が、互いに円周方向に間隔を置いた状態になり、各カバーのアンダカットフィレット（３６）が、前記隣接するカバーの外側半径（４４）と間隔を置いて整合した状態になる、
複数のバケット。
各前記フィレット（３６）が、異なる半径（５０）、（５２）の複合フィレットを含む、請求項８記載の複数のバケット。
各前記アンダカットフィレット（３６）が、前記カバーの正圧側に沿って前記１つの軸方向前方クリアランス面（２８）に隣接して位置する大きい方の半径（５０）を含み、前記アンダカット複合フィレットの小さい方の半径（５２）が、前記正圧側接触面（３４）と前記大きい方の半径（５０）との間に位置する、請求項９記載の複数のバケット。