JP2008291846A - シュラウド付きタービンブレード上のカッタ歯を中央設置する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】先端シュラウド付きタービンブレード（１０）の作動寿命を延長させる方法を提供する。
【解決手段】本方法は、１）先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）から、該先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）の負圧側及び正圧側のうちの１つの端部に設置されたカッタ歯（１８）を含む端部設置カッタ歯（２０６）を除去する段階と、２）先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）に対して、該先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）のほぼ中央部に設置されたカッタ歯（１８）を含む中央設置カッタ歯（２２０）を取付ける段階とを含む。そのような方法では、中央設置カッタ歯（２２０）は、該中央設置カッタ歯（２２０）が先端シュラウドフィレット（１２２）下方の最小幅の箇所から半径方向外向きに突出している場合にそれが翼形部（１２）内側範囲内に位置するように、シールレール（１６）に対して取付けることができる。
【選択図】 図４

Description

本出願は、総括的にはタービンブレード上のカッタ歯を中央設置する方法に関する。より具体的には、しかし限定としてではなく、本出願は、先端シュラウドの負圧側に設置したカッタ歯を先端シュラウドの中央に設置したカッタ歯と置き換える方法に関する。

発電で使用されるもののようなタービン組立体は一般的に、燃料の燃焼により生成された高温加圧ガスを膨脹させることによって回転軸出力を発生する。ガスタービンバケット又はブレードは一般的に、流路ガスの熱及び運動エネルギーをロータの機械的回転に変換するように設計された翼形部形状を有する。

タービンバケットには、先端シュラウドが設けられることが多い。先端シュラウドは、振動応力に起因した高サイクル疲労での翼形部の損傷を防止する。さらに、先端シュラウドシールは一般的に、シュラウドの最外側表面から半径方向外向きに突出し、かつタービンロータの回転方向内におけるシュラウドの対向する端部間で円周方向に延びる。従来の方法では、先端シュラウドシールは、回転先端シュラウドに対向する固定シュラウドに形成されたグルーブ内に半径方向に延びる。幾つかの設計では、固定シュラウドはハニカム通路を有する。先端シュラウドと固定シュラウドとの間に、翼形部の不安定性を引き起こす可能性があるゼロ公差シールを設けるのではなく、先端シュラウドシールにわたってそのような不安定性を排除することになる漏洩通路を設けることが望ましいことが判っている。一般的に、先端シュラウドシールの前縁（負圧側とも呼ばれる）にカッタ歯を設けて、先端シュラウドシールの幅よりも幅広のグルーブを固定シュラウドのハニカム通路内に切り込むようにする。これにより、グルーブ内部で先端シュラウドシールの対向する側面上で高圧力領域と低圧力領域との間に漏洩流が可能になる。このことは、その結果生じたシール性能の減少による翼形部の両側にわたる圧力低下の望ましくない低下をもたらすが、失われた効率は、翼形部の安定性の増大によって補われる。

しかしながら、先端シュラウドは、高温度及び遠心力誘発曲げ応力の組合せによるクリープ損傷を生じる。単一のバケット又はブレードの損傷は、タービン全体をオフラインに至らせる可能性がある。停止時間に加えて、そのようなバケットの補修は、時間がかかりかつ／又は費用がかかる。
米国特許出願公開第２００５／００３６８８６号公報 米国特許出願公開第２００５／０１２９５１９号公報

従って、温度及び応力に対処することができる能力を高めたタービンブレードシュラウドに対する要望が存在する。そのようなタービンブレードシュラウドは、長い寿命をもたらすと同時に、全体としてタービンシステムの効率を高めるものでなければならない。

従って、本出願は、先端シュラウド付きタービンブレードの作動寿命を延長させる方法について記述し、本方法は、１）先端シュラウドのシールレールから端部設置カッタ歯を除去する段階と、２）先端シュラウドのシールレールに対して中央設置カッタ歯を取付ける段階とを含む。端部設置カッタ歯は、先端シュラウドのシールレールの負圧側及び正圧側のうちの１つの端部に設置されたカッタ歯を含むことができる。中央設置カッタ歯は、先端シュラウドのシールレールのほぼ中央部に設置されたカッタ歯を含むことができる。

幾つかの実施形態では、端部設置カッタ歯を除去する段階は、該端部設置カッタ歯の厚さがシールレールの他の領域の厚さとほぼ同じになるまで該端部設置カッタ歯を機械加工する段階を含む。幾つかの実施形態では、中央設置カッタ歯を取付ける段階は、シールレールに対して該中央設置カッタ歯を溶接する段階を含むことができる。他の実施形態では、中央設置カッタ歯を取付ける段階は、シールレールに対して該中央設置カッタ歯をロウ付けする段階を含むことができる。他の実施形態では、中央設置カッタ歯を取付ける段階は、溶接及びロウ付けのうちの１つによって材料を肉盛りする段階を含むことができる。

幾つかの実施形態では、中央設置カッタ歯は、ほぼ矩形形状を含むことができる。一旦取付けられると、中央設置カッタ歯の外側半径方向端縁部は、シールレールの外径と整列することができる。中央設置カッタ歯は、シールレールフィレットのおおよその開始位置まで半径方向内向きに延びることができる。中央設置カッタ歯の半径方向高さは、シールレールの半径方向高さのほぼ半分とすることができる。中央設置カッタ歯は、シールレールの高さのほぼ下方中途まで延びることができる。

幾つかの実施形態では、中央設置カッタ歯は、該中央設置カッタ歯が先端シュラウドフィレット下方の最小幅の箇所から半径方向外向きに突出している場合にそれが翼形部内側範囲内に位置するように、シールレールに対して取付けることができる。他の実施形態では、中央設置カッタ歯は、該中央設置カッタ歯が半径方向外向きに突出している場合にそれが先端シュラウドフィレット内側範囲内に位置するように、シールレールに対して取付けることができる。

先端シュラウド付きタービンブレードは、ハニカムシュラウド及びアブレイダブル皮膜シュラウドのうちの１つと共に作動するように構成することができる。先端シュラウド付きタービンブレードは、ガスタービンで機能するように構成することができる。先端シュラウド付きタービンブレードは、９ＦＡ＋ｅ型タービンで機能するように構成することができる。

本出願はさらに、先端シュラウド付きタービンブレードの作動寿命を延長させる方法について記述し、本方法は、１）先端シュラウドのシールレールから、該先端シュラウドのシールレールの負圧側及び正圧側のうちの１つの端部に設置されたカッタ歯を含む端部設置カッタ歯を除去する段階と、２）先端シュラウドのシールレールに対して、該先端シュラウドのシールレールのほぼ中央部に設置されたカッタ歯を含む中央設置カッタ歯を取付ける段階とを含む。そのような方法では、中央設置カッタ歯は、該中央設置カッタ歯が先端シュラウドフィレット下方の最小幅の箇所から半径方向外向きに突出している場合にそれが翼形部内側範囲内に位置するように、シールレールに対して取付けることができる。中央設置カッタ歯を取付ける段階は、溶接及びロウ付けのうちの１つによって材料を肉盛りする段階を含むことができる。

本出願はさらに、先端シュラウド付きタービンブレードの作動寿命を延長させる方法について記述し、本方法は、１）先端シュラウドのシールレールから、該先端シュラウドのシールレールの負圧側及び正圧側のうちの１つの端部に設置されたカッタ歯を含む端部設置カッタ歯を除去する段階と、２）先端シュラウドのシールレールに対して、該先端シュラウドのシールレールのほぼ中央部に設置されたカッタ歯を含む中央設置カッタ歯を取付ける段階とを含む。そのような方法では、中央設置カッタ歯は、該中央設置カッタ歯が半径方向外向きに突出している場合にそれが先端シュラウドフィレット内側範囲内に位置するように、シールレールに対して取付けることができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連して行った好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。

次に幾つかの図を通して同じ参照符合が同様の要素を表わしている図面を参照すると、図１は、一般的な先端シュラウド付きタービンバケット又はブレード１０を示す。タービンバケット１０は、翼形部１２を含む。翼形部１２は、ガスの流れを遮りかつガスのエネルギーを接線方向運動に変換する風車ベーンとして作用する能動構成部品である。この接線方向運動は次に、バケット１０が取付けられているロータを回転させる。

先端シュラウド１４は、翼形部１２の頂部に配置することができる。先端シュラウド１４は本質的に、翼形部１２によってその中央部を支持された平坦なプレートである。先端シュラウド１４の上面に沿ってシールレール１６を配置することができる。上記のようなシールレール１６は、先端シュラウド１４と周囲の構成部品の内面との間のギャップを通しての流路ガスの通過を防止する。

図２は、シールレール１６上での１つ又はそれ以上の公知のカッタ歯１８の使用を示している。カッタ歯１８は、先端シュラウド１４の前縁又は負圧側に配置される。当業者には分かるように、カッタ歯１８の使用により、シール安定性のために使用することができるシュラウドのハニカム又はアブレイダブル皮膜を通る通路を形成することによって溢流をさらに減少させることができる。図２に示すように、カッタ歯１８は一般的に、シールレール１６に沿った大きな幅の領域である。しかしながら、この負圧側位置の使用は、特に高いタービン温度下で先端シュラウド１４上に過度の応力レベルを加える。

図３は、中央配置カッタ歯１０４を備えたタービンバケット１００を示している。上述のように、タービンバケット１００は、翼形部１１０（図３には仮想線で示す）を含む。翼形部１１０は、先端シュラウド１２０で終わる。翼形部１１０から先端シュラウド１２０への移行部は、該翼形部１１０から先端シュラウド１２０までの移行フィレットを構成した先端シュラウドフィレット１２２（これも図３において仮想線で示す）を含むことができる。先端シュラウド１２０は従来型の設計のものとすることができる。先端シュラウドの上面上に、シールレール１３０を配置することができる。シールレール１３０は、先端シュラウド１２０の全長の周りで延びることができる。

シールレール１３０上には、カッタ歯１０４を配置することができる。この実施例では、カッタ歯１０４は、シールレール１３０の中央部の周りに配置される。第１のカッタ歯１５０及び第２のカッタ歯１６０を示している。図示するように、幾つかの実施形態では、カッタ歯１０４は、該カッタ歯１０４が翼形部１１０の仮想線の範囲内に位置するように、シールレール１３０の中央部の周りに配置することができる。他の実施形態では、カッタ歯１０４は、該カッタ歯１０４が先端シュラウドフィレット１２２の仮想線の範囲内に位置するようにシールレール１３０の中央部の周りに配置することができる。図示するように、第１の歯１５０及び第２の歯１６０は、先端シュラウド１２０の全体形状に適合するように、幾分かオフセットさせることができる。当業者には分かるように、こうした中央設置により、先端シュラウド１２０下方の先端シュラウドフィレット１２２内に生じる応力を減少させることによってタービンバケット１００の寿命を延長させることができる。こうした設置はまた、全体として先端シュラウド１２０により対称な設計をもたらす。

図４は、本発明の例示的な実施形態に従った中央設置カッタ歯での前縁又は負圧側カッタ歯の置き換えを示す先端シュラウドを備えたタービンブレードの斜視図である。先端シュラウドの負圧側又はシールレールの端部上に設置されたカッタ歯を有する多数の使用中の翼形部が存在することが分かるであろう。そのようなカッタ歯のオーバハング質量は、先端シュラウドフィレット内に過度の応力レベルを生じさせ、これにより、構成部品の寿命が制限される。このようなタービンブレードの実施例には、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって販売された「９ＦＡ＋ｅ型タービン」の第２段で使用されているブレードがある。一般的に、そのようなブレードは、先端シュラウドフィレットにおける高い損傷可能性のために、一定の使用時間の後に交換される。本発明では、シールレールの端部におけるカッタ歯を除去しかつ中央設置カッタ歯と交換した場合に、そのようなタービンブレードの有効寿命は、大幅に延長させることができることを提案している。

従って、図４に示すように、タービンブレード２００は、シールレール２０４を備えた先端シュラウド２０２を含むことができる。シールレール２０４の負圧側又は端部における陰影領域は、第１の端部設置カッタ歯２０８及び第２の端部設置カッタ歯２１０を含むことができる端部設置カッタ歯２０６とすることができる。本明細書で使用する場合、「端部設置カッタ歯」という用語は、先端シュラウドのシールレールの負圧側又は正圧側に設置されたあらゆるカッタ歯を含むように定義される。本発明の実施形態に従って、端部設置カッタ歯２０６を除去することができる。除去プロセスは、従来通りの機械加工プロセス又はその他のプロセスによって行うことができる。具体的には、カッタ歯２０６は、端部又は負圧側におけるシールレール２０４の厚さが、該シールレール２０４の中央部及び／又は正圧側の厚さとほぼ一致した状態になるまで機械加工することができる。

カッタ歯２０６を除去した状態で、シールレール２０４に対して、第１の中央設置カッタ歯２２２及び第２の中央設置カッタ歯２２４を含むことができる１つ又はそれ以上の中央設置カッタ歯２２０を取付けることができる。本明細書で使用する場合、「中央設置カッタ歯」という用語は、シールレールのおおよそ中央部に設置されたカッタ歯を含むように定義される。中央設置カッタ歯２２０は、溶接又はロウ付けを含む従来通りのプロセスに従って取付けることができる。本明細書で使用する場合、溶接により取付ける段階というのは、シールレールに対して部品を溶接することと溶接肉盛りで中央歯を形成することとの両方を含む。本明細書で使用する場合、ロウ付けにより取付ける段階とういうのは、シールレールに対して部品をロウ付けすることとロウ付け肉盛りで中央歯を形成することとの両方を含む。幾つかの実施形態では、中央設置カッタ歯２２０の形状は、構成部品の前方又は後方のいずれかから軸方向に見た時に矩形とすることができるが、他の形状も可能であることが、当業者には分かるであろう。一旦シールレール２０４上に据え付けられると、中央設置カッタ歯２２０の外側半径方向端縁部は、シールレールの外径と整列することができる。中央設置カッタ歯２２０は、そこから、シールレールフィレット２２８のおおよその開始位置まで半径方向内向きに延び、シールレール２０４と先端シュラウド２０２との間に移行フィレットを構成することができる。一般的に、これは、図４に示すように、中央設置カッタ歯２２０がシールレール２０４の高さのほぼ下方中途まで延びることを意味する。

上記したように、中央設置カッタ歯２２０は、該中央設置カッタ歯２２０が先端シュラウドフィレット下方の最小幅の箇所から半径方向外向きに突出した場合にそれが翼形部内側範囲内に位置するように、シールレール２０４に沿って配置することができる（図３参照）。他の実施形態は、中央設置カッタ歯２２０は、該中央設置カッタ歯２２０が半径方向外向きに突出した場合にそれが先端シュラウドフィレット範囲内に位置するように、シールレール１３０の中央部の周りに配置することができる（図３参照）。図４に示すように、第１の中央設置カッタ歯２２２及び第２の中央設置カッタ歯２２４は、先端シュラウド２０２の全体形状に適合するように、幾分かオフセットさせることができる。中央設置カッタ歯２２０の軸方向厚さは、負圧側カッタ歯２０６の厚さとほぼ同じにするか又はそれよりも僅かに小さくしなければならない。

本発明の好ましい実施形態の上記の説明から、当業者には、改良、変更及び修正が想起されるであろう。当技術分野の範囲内でのそのような改良、変更及び修正は、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、以上の説明は、本出願の説明した実施形態のみに関するものであること、また本明細書においては特許請求の範囲に記載した本出願の技術思想及び技術的範囲並びにその均等物から逸脱せずに数多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

先端シュラウドを有する公知のタービンブレードの側面図。 負圧側のカッタ歯を備えた公知の先端シュラウドの上面図。 中央設置カッタ歯を有する先端シュラウドの上面図。 本発明の例示的な実施形態に従った中央設置カッタ歯での負圧側カッタ歯の置き換えを示す先端シュラウドを備えたタービンブレードの斜視図。

符号の説明

１０ 先端シュラウド付きタービンバケット又はブレード
１２ 翼形部
１４ 先端シュラウド
１６ シールレール
１８ カッタ歯
１００ タービンバケット
１０４ カッタ歯
１１０ 翼形部
１２０ 先端シュラウド
１２２ 先端シュラウドフィレット
１３０ シールレール
１５０ 第１のカッタ歯
１６０ 第２のカッタ歯
２００ タービンブレード
２０２ 先端シュラウド
２０４ シールレール
２０６ 端部設置カッタ歯
２０８ 第１の端部設置カッタ歯
２１０ 第２の端部設置カッタ歯
２２０ 中央設置カッタ歯
２２２ 第１の中央設置カッタ歯
２２４ 第２の中央設置カッタ歯
２２８ シールレールフィレット

Claims (10)

1. 先端シュラウド付きタービンブレード（１０）の作動寿命を延長させる方法であって、
   先端シュラウド（１４）のシールレール（１３０）から端部設置カッタ歯（２０６）を除去する段階と、
   前記先端シュラウド（１４）のシールレール（１３０）に対して中央設置カッタ歯（２２０）を取付ける段階と、
   を含む方法。
2. 前記端部設置カッタ歯（２０６）が、前記先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）の負圧側及び正圧側のうちの１つの端部に設置されたカッタ歯（１８）を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記中央設置カッタ歯（２２０）が、前記先端シュラウド（１４）のシールレール（１６）のほぼ中央部に設置されたカッタ歯（１８）を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記端部設置カッタ歯（２０６）を除去する段階が、該端部設置カッタ歯（２０６）の厚さが前記シールレール（１６）の他の領域の厚さとほぼ同じになるまで該端部設置カッタ歯（２０６）を機械加工する段階を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記中央設置カッタ歯（２２０）を取付ける段階が、前記シールレール（１６）に対して該中央設置カッタ歯（２２０）を溶接する段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記中央設置カッタ歯（２２０）を取付ける段階が、前記シールレール（１６）に対して該中央設置カッタ歯（２２０）をロウ付けする段階を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記中央設置カッタ歯（２２０）を取付ける段階が、溶接及びロウ付けのうちの１つによって材料を肉盛りする段階を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記中央設置カッタ歯（２２０）が、該中央設置カッタ歯（２２０）が先端シュラウドフィレット（１２２）下方の最小幅の箇所から半径方向外向きに突出している場合にそれが前記翼形部（１２）内側範囲内に位置するように、前記シールレール（１６）に対して取付けられる、請求項１記載の方法。
9. 前記中央設置カッタ歯（２２０）が、該中央設置カッタ歯（２２０）が半径方向外向きに突出している場合にそれが前記先端シュラウドフィレット（１２２）内側範囲内に位置するように、前記シールレール（１６）に対して取付けられる、請求項１記載の方法。
10. 前記先端シュラウド付きタービンブレード（１０）が、９ＦＡ＋ｅ型タービンで機能するように構成される、請求項１記載の方法。

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