JP2008101615A - タービン組立体で使用する翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン組立体を提供する。
【解決手段】本タービン組立体は、その中に形成された少なくとも１つのダブテールスロットを備えたロータホイール（１４）と、各々が軸方向挿入式ダブテール（２２）、先端（３４）及びそれらの間で延びる翼形部（３０）を含む少なくとも２つのバケット(１６)と、バケットカバー（４２）とを含み、少なくとも２つのバケットの各々が、ダブテールスロットを介してロータホイールに結合され、バケットカバーが、該バケットカバーが実質的にロータホイールを囲むように前記少なくとも２つのバケットの先端に結合される、
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはタービン組立体の使用に関し、より具体的には、タービン組立体で使用する回転翼形部に関する。

蒸気タービンで使用する翼形部又はバケットは、蒸気タービンの運転時に、多数の発生源からの調和励振を受ける。バケットの固有振動数と一致する調和励振振動数は、バケット内に大きな共振を引き起こす可能性がある。時間の経過と共に、この共振は、バケット内に高サイクル疲労を引き起こすおそれがあり、またバケットの有効使用寿命を低下させる一因となるおそれがある。

少なくとも幾つかの公知のバケット及び関連するバケットカバー設計は、接線方向挿入式ダブテールバケット及びセグメント形先端シュラウドを含む。接線方向挿入式ダブテールバケットは、組立ゲートを通してホイールに組付けられ、次にホイール外周部の周りで円周方向に詰め込まれる。公知のセグメント形先端シュラウドは、ロータ組立体の周辺部の周りで互いに結合された状態にバケットの先端を連結する４つ又はそれ以上の分離したバンドを含む。しかしながら、そのような設計は、運転時に、回転当たり作動振動数範囲内の多数の振動モードすなわち固有振動数を生じる可能性がある。さらに、比較的低い固有振動数は、そのようなバケット及びバケットカバー設計の回転当たり共振に対する感受性を高める可能性があり、このことはバケット及び／又はバケットカバーの機械的一体性を低下させるおそれがある。そのような設計は、次第に、大きなタービン出力に耐えることができないものとなるおそれがある。

他の公知のバケット及びカバー設計は、一体形シュラウドを有する軸方向挿入式ダブテールバケットを含む。そのような設計では、円周方向に隣接したシュラウドは、速度によって連続的に結合した構造体を形成するように固定される。そのような設計もまた、回転当たり作動振動数範囲内の振動モードを生じる可能性があり、また大きなタービン出力に耐えることができないものとなるおそれがある。さらに、これらの設計は、固定又は結合の大きさが速度の関数として変動するような可変速度用途には良好に適合することができない。一体形シュラウドを備えた軸方向挿入式バケットを製作することは、高価なものとなり、また据付け上の適用限界が、主としてタービンのその最終段への使用に制限されることになる可能性がある。
米国特許第６、８１４、５４３号公報 米国特許第６、４８１、９７２号公報 米国特許第６、４３５、８３４号公報 米国特許第６、１４２、７３７号公報 米国特許第５、９８８、９８２号公報 米国特許第５、５０９、７８４号公報 米国特許第５、４８０、２８５号公報 米国特許第５、４７８、２０７号公報 米国特許第５、３９３、２００号公報 米国特許第４、８２４、３２８号公報 米国特許第４、１３１、３８７号公報

１つの実施形態では、タービン組立体を提供する。本組立体は、その中に形成された少なくとも１つのダブテールスロットを備えたロータホイールと、各々が軸方向挿入式ダブテール、先端及びそれらの間で延びる翼形部を含む少なくとも２つのバケットとを含む。少なくとも２つのバケットの各々は、ダブテールスロットを介してロータホイールに結合される。本組立体また、少なくとも２つのバケットの先端に結合されて実質的にロータホイールを囲むようになったバケットカバーを含む。

別の例示的な実施形態では、蒸気タービン組立体を提供する。本組立体は、その中に形成された少なくとも１つのダブテールスロットを備えたロータホイールと、各々が軸方向挿入式ダブテール、先端及びそれらの間で延びる翼形部を含む少なくとも２つのバケットとを含む。少なくとも２つのバケットの各々は、ロータホイールに結合され、またダブテールは、直線挿入式ダブテール、傾斜挿入式ダブテール及び湾曲挿入式ダブテールの少なくとも１つである。本組立体はまた、少なくとも２つのバケットの先端に結合されて、実質的に前記ロータホイールを囲みかつ該少なくとも２つのバケットの固有振動数を増大させるようになったバケットカバーを含む。

またここでは、タービン組立体を組立てる方法を開示する。この方法は、各々が軸方向挿入式ダブテール、先端及びそれらの間で延びる翼形部を備えた少なくとも２つのバケットを準備する段階を含む。本方法はまた、ロータホイール内に形成された少なくとも１つの相補構成係合ダブテールスロット内に軸方向挿入式ダブテールを挿入することによって少なくとも２つのバケットをロータホイールに結合する段階と、バケットカバーが連続バンドの形態で実質的にロータホイールを囲むように、該バケットカバーを少なくとも２つのバケットの先端に結合する段階とを含む。

図１は、例示的な蒸気タービン１０の一部分の部分概略断面図であり、蒸気タービン１０は、衝動ロータ組立体１２と該ロータ組立体１２に軸方向バケット１６を結合するために使用する複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１４とを含む。一連のノズル１８が、列の形態として、隣接するバケット１６の列間で延びる。ノズル１８は、バケット１６と協働して段を形成し、かつタービン１０を貫通して延びる蒸気流路又は高温ガス流路(矢印１５で示す)の一部分を形成する。

運転中に、高圧流体は、タービン１０の入口端部(図示せず)に流入し、ロータ組立体１２の軸線１９とほぼ平行にタービン１０を通って移動する。蒸気は、ノズル１８の列に衝突し、バケット１６に向かって下流方向に導かれる。高温ガスは次に、残りの段を通って流れ、従ってバケット１６及びロータ組立体１２を強制的に回転させる。本明細書で使用する場合の「軸方向」という用語は、軸線１９とほぼ平行な方向であることを意図している。

図２は、蒸気タービン１０(図１に示す)で使用することができる例示的なバケット１６の斜視図である。バケット１６は、直線挿入軸方向挿入式ダブテール２２、基部２８、翼形部３０及び先端３４を含む。ダブテール２２は、半径方向内側端部２４及び半径方向外側端部２６を含む。軸方向ダブテール２２は、直線挿入式ダブテールとして説明しているが、ダブテール２２は、例えばそれに限定されないが、傾斜又は湾曲挿入式ダブテールのような、本明細書に記載するようにバケット１６が機能するのを可能にするあらゆる形式の軸方向ダブテールとすることができることを理解されたい。さらに、ダブテール断面積は、例えばそれに限定されないが、正方形、長方形及び／又は三角形のような、本明細書に記載するようにバケット１６が機能するのを可能にするあらゆる断面積とすることができることを理解されたい。基部２８は、外側端部２６と翼形部３０との間で延びる。翼形部３０は、基部２８に隣接した根元３２からバケット先端３４まで延びる。この例示的な実施形態では、バケット先端３４は、先端プラットフォーム３６とテノン３８及び４０とを含む。先端プラットフォーム３６は、基部２８とほぼ平行に配向され、テノン３８及び４０は、先端プラットフォーム３６から離れるようにほぼ垂直に延びる。バケット翼形部３０は、基部２８から離れるようにあらゆる角度で延びることができ、またテノン３８及び４０は、先端プラットフォーム３６から離れるようにあらゆる角度で延びて、本明細書に記載したようにバケット１６が機能するのを可能にすることができることを理解されたい。

各バケット１６の最大荷重は、部分的にはその固有振動数によって決まる。従って、各バケット１６の固有振動数を上昇させることにより一般的に、そのバケットの最大許容荷重が増大する。バケット先端３４を互いに連続的に結合することにより、各バケット１６の固有振動数を増大させることが可能になる。従って、この例示的な実施形態では、また以下により詳細に述べるように、連続形バケットカバー(図２には図示せず)がロータ組立体１２を囲みかつ各バケット先端３４に結合されて、各バケット１６の固有振動数を増大させるのを可能にする。さらに、連続形バケットカバーにより、各バケット１６の振動モードが低減する。

図３は、バケット１６及びロータ組立体１２で使用する例示的なチェーンリンクバケットカバー４２の拡大斜視図である。より具体的には、バケットカバー４２は、互いに結合されてチェーンリンク形式のバケットカバー４２を形成した複数のリンク４４を含む。この例示的な実施形態では、各リンク４４は金属板であり、この金属板は、半径方向外側上面４６、半径方向内側下面４８、第１の側部５０、対向する第２の側部５２、第１の端部５４及び対向する第２の端部５６を含む。各端部５４及び５６は、頂部５７を形成した一対の側端縁部５５と上面４６から下面４８までカバー４２を貫通して延びる一対の開口部５８及び６０とを含む。開口部５８及び６０は各々、相補形状及び配向テノン３８又は４０の１つと係合するような寸法及び形状にされる。同様に、第２の端部５６は、相補構成テノン３８又は４０の１つと係合するような形状及び配向にされた一対の開口部６２及び６４を含む。この例示的な実施形態では、開口部５８及び６０は、開口部６２及び６４と同一である。

リンク４４は、連続形重合わせチェーンリンクバケットカバー４２を形成した交互する重合わせパターンの形態で配置される。一般的に、リンク４４は、「上部」リンク６６、７２の第１の端部５４が「下部」リンク６８、７０の第２の端部と重合されるように、また各上部リンク６６、７２の第２の端部５６が下部リンク６８、７０の第１の端部５４と重合されるように配向される。より具体的には、この例示的な実施形態では、完全に組立てられた時に、上部リンク６６の第１の端部５４の下面４８は、下部リンク６８の第２の端部５６の上面４６に対してほぼ同一平面の状態で配置される。さらに、上部リンク６６及び下部リンク６８は、上部リンク６６の開口部５８が下部リンク６８の開口部６２と整列し、また開口部６０が開口部６４と整列するように互いに位置合せされる。同様に、上部リンク６６の第２の端部５６の下面４８は、下部リンク７０の第１の端部５４の上面とほぼ同一平面の状態で配置される。さらに、上部リンク６６及び下部リンク７０は、上部リンク６６の開口部６２が下部リンク７０の開口部５８と整列し、また開口部６４が下部リンク７０の開口部６０と整列するように位置合せされる。リンク４２が整列すると、開口部６０及び６４及び／又は開口部５８及び６２によって形成された相補構成開口部内にテノン３８及び４０挿入することによって、バケット１６は、バケットカバー４２に結合される。テノン３８及び４０は、「上部」リンク６６及び７２上にリベット止めされて、強固な連結を形成する。これに比較して、下部リンク６８及び７０は、膨脹を可能にするようなすべり嵌合により組立てられる。この例示的な実施形態ではバケットカバー４２は、上部及び下部重合せチェーンリンクカバーであるが、他の様々な例示的実施形態では、本明細書に記載したようにバケットカバー４２が機能するのを可能にするあらゆる他のタイプの連続形バケットカバーを使用することができることを理解されたい。

バケットカバー４２は、バケット１６の幾つかの群にわたってのみ延びるのとは対照的に、各バケット１６に対して結合されるので、バケットカバー４２はロータホイール１４及びロータ組立体１２の周辺部を連続的に囲む。バケットカバー４２を各バケット先端３４に連続的に結合することにより、より高い固有振動数及びより大きな荷重性能を有するより剛性がある組立体が得られ、従って大きなタービン出力の間にバケット１６内に有害な振動及びそれに関連した応力が発生するのを防止することが可能になる。さらに、カバー４２はバケット先端３４と一体形でないので、バケット１６はより費用効果がある。つまり、シュラウドを必要としないので、各バケット１６は、製造及び補修するのが一層安価になる。さらに、本明細書に記載したこの例示的な実施形態は、組立てるのが一層容易であり、一体形カバー付き軸方向挿入式設計よりも可変速度用途により良好に適合し、かつタービンの最終段のみでなく全ての段において使用することができる。

これと対照的に、接線方向挿入式ダブテール設計に固有の隙間のために、チェーンリンクバケットカバー４２のようなバケットカバーは、列全体の接線方向挿入式バケット１６を連続的に結合することができずまた同時にロータホイール１４を連続的に囲むことができない。この例示的な実施形態の軸方向挿入式ダブテール２２は、列全体の接線方向挿入式バケット１６が隙間なしでロータホイール１４の周りに据付けられるので、接線方向挿入式ダブテール設計よりも一層効率的である。この幾何学形状により、ロータホイール１４を連続的に囲みながら、列全体のバケット１６における各バケット先端３４にバケットカバー４２を結合することが可能になる。その結果、列全体の軸方向挿入式ダブテール２２は、生じるアンバランスがより少なくなる。

各実施形態では、上記した軸方向挿入式ダブテールバケット１６及びチェーンリンクバケットカバー４２の組合せにより、バケット１６の許容荷重を増大させることが可能になる。より具体的には、各実施形態では、軸方向挿入式ダブテールバケット１６及びチェーンリンクバケットカバー４２の組合せにより、バケット１６の固有振動数の大きな増加、より少ないバケット１６振動モード及び機械全体の信頼性の向上が得られる。さらに、各実施形態は、設計外速度でのカバーの固定を排除する。その結果、より大きい出力でのタービン運転が可能になる。従って、蒸気タービン性能及び構成部品の有効寿命は各々、費用効果がありかつ信頼性がある方法で高めることが可能になる。

以上、軸方向挿入式ダブテールバケット及びバケットカバーの例示的な実施形態を詳細に説明している。軸方向挿入式ダブテールバケット及びバケットカバーは、本明細書に記載した特定の蒸気タービンの実施形態で使用することに限定されるものではなく、むしろ、軸方向挿入式ダブテール及びバケットは、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、連続形チェーンリンクバケットカバーを備えた軸方向挿入式ダブテールは、あらゆる公共、産業又は機械的駆動蒸気タービンで使用することができる。さらに、本発明は、詳細に上述した軸方向挿入式ダブテール及びバケットカバーの実施形態に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で、軸方向挿入式ダブテール及びバケットカバーの実施形態の他の変形形態を利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には明らかであろう。

例示的な蒸気タービンの一部分の概略断面図。 図１に示す蒸気タービンで使用することができる軸方向取付け式バケットの斜視図。 例示的なバケットカバーの拡大斜視図。

符号の説明

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ組立体
１４ ロータホイール
１５ 矢印
１６ バケット
１８ ノズル
１９ 軸線
２２ ダブテール
２４ 内側端部
２６ 外側端部
２８ 基部
３０ 翼形部
３２ 根元
３４ 先端
３６ 先端プラットフォーム
３８ テノン（ほぞ）
４０ テノン（ほぞ）
４２ バケットカバー
４４ リンク
４６ 上面
４８ 下面
５０ 第１の側面
５２ 第２の側面
５４ 第１の端部
５５ 側端縁部
５６ 第２の端部
５７ 頂部
５８ 開口部
６０ 開口部
６２ 開口部
６４ 開口部
６６ 上部リンク
６８ 下部リンク
７０ 下部リンク
７２ 上部リンク

Claims (10)

1. その中に形成された少なくとも１つのダブテールスロットを備えたロータホイール（１４）と、
   各々が軸方向挿入式ダブテール（２２）、先端（３４）及びそれらの間で延びる翼形部（３０）を含む少なくとも２つのバケット(１６)と、
   バケットカバー（４２）と、を含み、
   前記少なくとも２つのバケットの各々が、前記ダブテールスロットを介して前記ロータホイールに結合され、
   前記バケットカバーが、該バケットカバーが実質的に前記ロータホイールを囲むように前記少なくとも２つのバケットの先端に結合される、
   タービン組立体。
2. 前記バケットカバー（４２）が、重合せチェーンリンク配向の形態で前記少なくとも２つのバケット（１６）の先端（３４）に結合される、請求項１記載の組立体。
3. 前記少なくとも２つのバケット(１６)が、直線挿入式ダブテール（２２）、傾斜挿入式ダブテール及び湾曲挿入式ダブテールの１つを有する、請求項１記載の組立体。
4. 複数のバケット（１６）が、前記ロータホイール（１４）に結合されて該ロータホイールの周りで円周方向に延びるバケットの列を形成する、請求項１記載の組立体。
5. 前記少なくとも２つのバケット（１６）が、各バケットの先端（３４）に形成された少なくとも１つのテノン（３８、４０）をさらに含む。請求項１記載の組立体。
6. 前記バケットカバー（４２）が、複数のリンク（４４）を含み、
   各リンクが、それを貫通して延びる少なくとも１つの開口部（５８、６０、６２、６４）を有する第１の端部（５４）と、それを貫通して延びる少なくとも１つの開口部を有する第２の端部（５６）とを含む、
   請求項５記載の組立体。
7. 前記少なくとも１つのテノン（３８、４０）が、前記複数のリンク（４４）のうちの第１のものの第１の端部(５４)内に形成された前記少なくとも１つの開口部（５８、６０、６２、６４）内部に配置され、
   前記少なくとも１つのテノンが、前記複数のリンクのうちの第２のものの第２の端部(５６)内に形成された前記少なくとも１つの開口部内部に配置される、
   請求項６記載の組立体。
8. その中に形成された少なくとも１つのダブテールスロットを備えたロータホイール（１４）と、
   各々が軸方向挿入式ダブテール、先端（３４）及びそれらの間で延びる翼形部（３０）を含む少なくとも２つのバケット(１６)と、
   バケットカバー（４２）と、を含み、
   前記少なくとも２つのバケットの各々が、前記ロータホイールに結合され、
   前記ダブテールが、直線挿入式ダブテール（２２）、傾斜挿入式ダブテール及び湾曲挿入式ダブテールの少なくとも１つであり、
   前記バケットカバーが、該バケットカバーが実質的に前記ロータホイールを囲みかつ前記少なくとも２つのバケットの固有振動数を増大させるように該少なくとも２つのバケットの先端に結合される、
   蒸気タービン組立体（１０）。
9. 前記バケットカバー（４２）が、重合せチェーンリンク配向の形態で前記少なくとも２つのバケット（１６）の先端に結合される、請求項８記載の組立体。
10. 複数のバケット（１６）が、前記ロータホイール（１４）に結合されて該ロータホイールの周りで円周方向に延びるバケットの列を形成する、請求項８記載の組立体。

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