JP2010138907A - ガスタービン用ロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、工程における効率を失うことなく、重量に関して最適化されているガスタービンロータブレードを提供することである。
【解決手段】個別部分（１６，１７，１８）の各々の寸法が、組立てられたロータブレード（１０，２０）よりも極めて小さいことにより解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン技術の分野に関する。本発明は請求項１の上位概念に基いたガスタービン用のロータブレードに関する。

冷却されない中空のタービンブレードは通常単一材料で鋳造されている。しかしながら、複数の個々に鋳造されたブレードから成る、ガスタービンの大きなロータブレードを液相拡散接合によって接続することも知られている（特許文献１）。この場合、ブレード翼のどちらか一方は、ブレードの長手方向で分割されているか（特許文献１の図３）、あるいはブレード翼の全長がプラットフォームとブレード根元部分から個々に製造されている（特許文献１の図６）。このため大きなブレードの場合、分割しているにもかかわらず、ブレード翼用に製造され、かつ形状一体的な様式で連結される必要がある鋳造部品はもろに大きくなってしまう。

同じことは特許文献２に記載されているロータブレードにも当てはまっており、このロータブレードは桁材（１２）を備えており、この桁材はブレードの内部に長手方向に延びており、かつブレード翼の領域内で空気力学的に効果的なシェル（４８）により外側を囲まれている。外側のシェルが圧縮応力でもって予め応力をかけられている類似の構想は特許文献３から知られている。最後に、ブレード翼の外側のシェルがセラミックでできている同様な形状が特許文献４から知られている。

最新のガスタービン設備の効率と効果を高めることに伴い、個別の構成部材の寸法は増大し、従ってロータブレードの寸法も増大する。その結果として、特に少なからず重量に関係した問題が稼働中に発生することがあり、さらに生産技術上の障害が大きな構成部材を鋳造する際に発生することがある。

米国特許第６３３１２１７号明細書 米国特許出願公開２００６／０１２０８６９第号明細書 米国特許第４４７３３３６号明細書 米国特許第４５６３１２８号明細書

従って本発明の課題は、工程における効率を失うことなく、重量に関して最適化されているガスタービンロータブレードを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴全体により達せられる。ブレードが複数の個別部分から組立てられており、これらの個別部分の材料が、各々の場合、関連した個別部分の意図された目的に適合していること、および
前記個別部分の各々の寸法が、組立てられたロータブレードよりも極めて小さいことが本発明に関しての真髄である。

従って、本発明は複数の異なる材料の比較的小さい個別部分から成るガスタービンのロータブレードを構成する思想を追求するものである。本発明のロータブレードの材料の特性は、各々の局所荷重に適合する。材料がこのように異なっているので、有効な最適化はブレードの正味重量、生産性および生産コストによって開示される。

従って、材料特性を意図的に利用できるには、かつできるだけ大きさに関係した生産上の問題を避けるためには、複数の個別部分からガスタービンのロータブレードを構成することは本発明の発明思想である。異なる部分の明確な機能分離が達せられる。公知でありかつ使用されている材料により、このことは比較的高い密度と関係している。この関係はいわゆる固有密度により説明できる。これは材料強度値と材料の密度の間の関係である。

このために、密度の低い材料も使用される。大きな構成部材と比べて、生産技術の点に関しては小さい構成部材が効果的に使用される。材料を最適に使用した個別部分から成るブレードの組立の結果として、以下の長所が達せられる。
・コストの削減
＊複数の個別部分を製造することによる、より自在な材料選定。
＊鋳造物部分の大きさの削減による、より効率的な生産。
・最適化した材料選定
＊耐腐食性のシェル（できるだけシート材料から成る）
＊固有強度の高いタイロッド
・低密度の材料を一部に使用したことによる重量低減。
・タイロッドがロータ本体の中により深く嵌合できたこと（ブレード根元部分で３歯以上、あるいは“長いシャンク”）。

本発明によるロータブレードの１つの発展形態は、個別部分の少なくとも一部が形状一体的に連結していることを特徴とする。

本発明によるロータブレードの別の発展形態は、ロータブレードの個別部分が、下側ブレード部分と、長手方向で下側ブレード部分と接続している上側ブレード部分を備えており、ブレード翼がブレードの長手方向で下側および上側ブレード部分あるいはに分割されており、下側ブレード部分がさらにプラットフォームとブレード根元部分の少なくとも一部を備えていること、および上側ブレード部分がさらにブレード先端部を備えていることを特徴とする。このような分轄されたブレード翼の結果として、個別の鋳造部品の寸法は著しく小さくできる。

本発明によるロータブレードのさらに別の発展形態は、上側ブレード部分に作用する遠心力を吸収するために、ブレードの長手方向に延びるタイロッドが、ロータブレードの内側に設けられていること、タイロッドがその上側端部でもって上側ブレード部分の下側端部と係合していること、およびタイロッドがその下側端部でもって張力をブレード根元部分内に誘導することを特徴とする。特にタイロッドはブレード根元部分の一部を形成する足元部分を備えており、タイロッドは足元部分でもって下側ブレード部分の裏側に嵌合する。

別の発展形態によれば、内側に曲がった第一曲がり要素は、上側ブレード部分に設けられており、タイロッドが第一曲がり要素の裏側で第二曲がり要素と嵌合している結果として、タイロッドは上側ブレード部分と係合している。

しかしながら、タイロッドは複数のタイロッド部分を備えており、これらのタイロッド部分はブレードの長手方向で平行に設けられており、タイロッド部分はブレードの長手方向に対して横方向に互いに間隔をおいて配置されており、そしてタイロッド部分の間隔は引続き挿入可能なスペーサにより固定されている。

以下に図と関連した代表的な実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

本発明の好適な実施例によるロータブレードの長手方向断面図を示す。 図１に対して代替え的であるタイロッド機構の長手方向断面図を示す。

図１は本発明の好適な実施例による（組立てられた）ロータブレードの長手方向断面図を示す。図１のロータブレード１０は、三つの個別構成部材、特に上側ブレード部分１８、下側ブレード部分１７およびタイロッド１６を備えている。ロータブレード１０は、空気力学的に効果的なブレード翼１１を有しており、このブレード翼はブレード先端部１５とプラットフォーム１２の間でブレードの長手方向に延びている。ブレード翼１１はブレードの長手方向で上側ブレード部分１８と下側ブレード部分１７に分割されている。シュラウド部分１８ｂは上側ブレード部分１８上側端部に形成されている。内側に突出している第一曲がり要素１８ａは、上側ブレード部分１８の下側端部に形成されており、その裏側では内側タイロッド１６が、その上側端部で取付けられた第二曲がり要素１６ａと嵌合しており、従って生じる遠心力に抗して上側ブレード部分１８を保持する。その結果、上側ブレード部分１８は張力の下で負荷を受けているにすぎない。

下側ブレード部分１７は、ブレード翼１１の下側部分と、プラットフォーム１２と、脚部分１３と、ブレード根元部分１４を備えており、このブレード根元部分は図示した例ではモミの木状の縁部輪郭（三つの歯部を備えている）を有している。ブレード根元部分１４の別の部分は、タイロッド１６が下側ブレード部分１７の裏側で嵌合する足元部分１６ｂにより形成されている。

図１に示した輪郭形状において、上側ブレード部分１８と下側ブレード部分１７は、内側タイロッド１６に比べて極めて高い耐温度性と耐クリープ性を有する。一方で使用されているブレード部分１７，１８の材料と、他方で使用されているタイロッド１６の材料は、相応して異なっていてもよい。しかしながらブレードの高さの範囲内において、温度は変化するので、それぞれに適した材料を使用することが二つのブレード部分１７と１８のために推奨される。異なるハッチングにより図１で示したようなタイロッド１６でさえ、必要な際には長手方向に置いて異なる材料から成ることもある。しかしながら、タイロッドは一つの材料から切れ目なく製造されていてもよい。

本発明によるロータブレードの組立は、様々な方法で行うことができる。すなわち、長手方向でのタイロッド１６が中央平面１９で分割されていない場合、タイロッドは底部からブレード内部に挿入され、９０°だけ回転させられ、次いで９０°だけ逆に回転させられ、上側ブレード部分１８の上側端部で第一曲がり要素１８ａと係合することができる。

しかしながら、図２によるロータブレード２０の場合、長手方向で分割されており、かつ二つのタイロッド部分２２と２３を備えていることも考えられる。この二つのタイロッド部分は、互いに鏡対称に形成されており、かつ取付けられた状態では横方向で互いに間隔をおいて設けられており、さらに相応するスペーサ２４と２５により別々に保持されて３いる。ロータブレード２０の組立時に、二つのタイロッド部分２２と２３がその上側の曲がり要素２２ｂ，２３ｂとブレード翼の曲がり要素１８ａ裏側で嵌合することができるまで、スペーサ２４と２５が無い状態で、すなわち横方向の間隔が無い状態で、二つのタイロッド部分２２と２３をブレード内部に挿入する。次いで、上側の（丸い）スペーサが図２に示した位置に達し、かつ掛け止めした位置で二つのタイロッド部分２２，２３を固定するまで、上側の（丸い）スペーサ２５を二つのタイロッド部分の間で底部から上方へと押す。最後に、下側端部において、二つのタイロッド部分がブレード根元部分１４の肩部の内側から下側曲がり要素により支持されるように、下側スペーサ２４を、二つのタイロッド部分２２，２３の間に挿入する。

１０ ロータブレード（ガスタービン）
１１ ブレード翼
１２ プラットフォーム
１３ 脚部分
１４ ブレード根元部分
１５ ブレード先端部
１６ タイロッド
１６ａ 曲がり要素
１６ｂ 足元部分
１７ 下側ブレード部分
１８ 上側ブレード部分
１８ａ 曲がり要素
１８ｂ シュラウド部分
１９ 中央平面
２０ ロータブレード
２１ タイロッド
２２ タイロッド部分
２２ａ 曲がり要素（下側）
２２ｂ 曲がり要素（上側）
２３ タイロッド部分
２３ａ 曲がり要素（下側）
２３ｂ 曲がり要素（上側）
２４ スペーサ
２５ スペーサ

Claims (10)

1. ガスタービン用のロータブレード（１０，２０）であって、前記ロータブレード（１０，２０）が、ブレード翼（１１）、ブレード先端部（１５）、ブレード根元部（１４）およびプラットフォーム（１２）を備え、このプラットフォームが、ブレード先端部（１５）とブレード根元部（１４）の間に形成されており、かつ複数の個別部分（１６，１７，１８）から組立てられており、これらの個別部分の材料が、各々の場合、関連した個別部分の意図された目的に適合しているロータブレードにおいて、
   前記個別部分（１６，１７，１８）の各々の寸法が、組立てられたロータブレード（１０，２０）よりも極めて小さいことを特徴とするロータブレード。
2. 個別部分（１６，１７，１８）の少なくとも一部が形状一体的に連結していることを特徴とする請求項１記載のロータブレード。
3. ロータブレード（１０，２０）の個別部分（１６，１７，１８）が、下側ブレード部分（１７）と、長手方向で下側ブレード部分と接続している上側ブレード部分（１８）を備えており、ブレード翼（１１）がブレードの長手方向で下側および上側ブレード部分（１７あるいは１８）に分割されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータブレード。
4. 下側ブレード部分（１７）がさらにプラットフォーム（１２）とブレード根元部分の少なくとも一部を備えていること、および上側ブレード部分（１８）がさらに翼先端部（１５）を備えていることを特徴とする請求項３に記載のロータブレード。
5. 上側ブレード部分（１８）に作用する遠心力を吸収するために、ブレードの長手方向に延びるタイロッド（１６，２１）が、ロータブレード（１０，２０）の内側に設けられていること、タイロッド（１６，２１）がその上側端部でもって上側ブレード部分（１８）の下側端部と係合していること、およびタイロッド（１６，２１）がその下側端部でもって張力をブレード根元部分（１４）内に誘導することを特徴とする請求項３または４に記載のロータブレード。
6. タイロッド（１６）がブレード根元部分（１４）の一部を形成する足元部分（１６ｂ）を備えていることを特徴とする請求項５に記載のロータブレード。
7. タイロッド（１６）が足元部分（１６ｂ）でもって下側ブレード部分（１７）の裏側に嵌合することを特徴とする請求項６に記載のロータブレード。
8. 内側に曲がった第一曲がり要素（１８ａ）が、上側ブレード部分（１８）に設けられていること、およびタイロッドが第一曲がり要素（１８ａ）の裏側で第二曲がり要素（１６ａ，２２ｂ，２３ｂ）と嵌合している結果として、タイロッド（１６，２１）が上側ブレード部分（１８）と係合していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のロータブレード。
9. タイロッド（２１）が複数のタイロッド部分（２２，２３）を備えており、これらのタイロッド部分がブレードの長手方向で平行に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のロータブレード。
10. タイロッド部分（２２，２３）がブレードの長手方向に対して横方向に互いに間隔をおいて配置されていること、およびタイロッド部分（２２，２３）の間隔が引続き挿入可能なスペーサ（２４，２５）により固定されていることを特徴とする請求項９記載のロータブレード。

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