JP2010156338A

JP2010156338A - タービン翼付け根構成

Info

Publication number: JP2010156338A
Application number: JP2009296942A
Authority: JP
Inventors: Bradley T Boyer; ブラッドレー・ティー・ボイヤー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-07-15
Also published as: KR20100080452A; DE102009059319A1; US20100166562A1; CN101782000A

Abstract

【課題】より効率的な製造、組立て、および／または動作を可能にするタービン翼付け根構成を提供する。
【解決手段】付け根１３８と、この付け根１３８から径方向へ延びるエーロフォイル１３６とを備えるタービン機関用動翼１２６であり、付け根１３８は軸部１５２およびダブテール１５４を備え、軸部１５２はダブテール１５４から延びて径方向外側表面に台座１４０を備え、ダブテール１５４は１つまたは複数のタング１５６を具備し、台座１４０は、タービンを通る流路の径方向最内境界の少なくとも一部を画定する軸方向および周方向に配向された表面を備え、ダブテール１５４は直線的であり、かつ台座１４０は曲線的である。
【選択図】図４

Description

本出願は、一般に改良されたタービン翼付け根（ｒｏｏｔ）構成に関する装置、方法、および／またはシステムに関する。より具体的には、限定するものではないが、本出願は、軸方向差込口の直線的なダブテールを曲線的な台座と組み合わせるタービン翼に関する装置、方法、および／またはシステムに関する。

大きい付け根翼弦および反りを有するタービン翼の従来の構成および設計は、一般にこれらの翼のエーロフォイルが結果的に「入れ子式」になる。当業者なら理解するであろうように、「入れ子式」とは、隣接するエーロフォイルの曲率が重なる状況を指す一般的な用語である。この重なりが一般に意味するところは、タービン翼が従来のタービン機関の動翼車（ｒｏｔｏｒｗｈｅｅｌ）の中に取り付けられるときに、それらは、たとえ位置合わせされていようとも、入れ子式のエーロフォイル間における干渉、すなわち、この様態ではエーロフォイルが接触して切離しを妨げるので、これらの翼の１つを軸方向または直線的に移動させて切離しできないことである。

この問題に対処するために、従来のタービン翼は、しばしば曲線的な台座およびダブテールを備えるように設計される。こうすると、タービン翼が切離し時に曲線的な経路を辿り、それによって隣接するエーロフォイルを回避するので、エーロフォイルが入れ子式である隣接するタービン翼の切離しが可能になる。しかし、当業者なら理解するであろうように、曲線的な台座およびダブテールを有するタービン翼は、例えば、製造上の困難さおよび複雑さが増大することを含めて、それ自体の動作上の問題を提示する。さらには、当業者なら理解するであろうように、曲線的な台座およびダブテールを有するタービン翼では、隣接する翼の曲線的な台座と付け根との間に必然的に生じる干渉のために、隣接する翼の組をタービン車から同時に取り外すことが困難であるかまたは不可能である。

米国特許第３３７８２３０号公報米国特許第３９８６７９３号公報米国特許第４７６７２７５号公報米国特許第５０１７０９１号公報米国特許第５９１３６６０号公報米国特許第６６８２３０６号公報米国特許出願公開第２００７／００２０１０２（Ａ１）号公報

したがって、改良タービン翼、具体的には、より効率的な製造、組立て、および／または動作を可能にするタービン翼付け根（すなわち、ダブテール、軸部、および／または台座構成部品）のための改良設計に対する必要性が依然として存在する。

したがって、本出願は、付け根と、この付け根から径方向へ延びるエーロフォイルとを備え、付け根は直線的なダブテールおよび曲線的な台座（ｐｌａｔｆｏｒｍ）を具備するタービン機関用動翼（ｒｏｔｏｒｂｌａｄｅ）を説明する。

本出願は、付け根と、この付け根から径方向へ延びるエーロフォイルとを備えるタービン機関用動翼をさらに説明するが、付け根は軸部およびダブテールを備え、軸部はダブテールから延びて径方向外側表面に台座を備え、ダブテールは１つまたは複数のタングを具備し、台座は、タービンを通る流路の径方向最内境界の少なくとも一部を画定する軸方向および周方向に配向された表面を備え、ダブテールは直線的であり、かつ台座は曲線的である。

本出願のこれらおよび他の特徴は、図面および付属の特許請求の範囲と併せて採用した好ましい実施形態の以下の詳細な説明を綿密に検討すると明白になろう。

本発明のこれらおよび他の目的および利点は、添付の図面と併せて採用した本発明の典型的な実施形態のさらに詳細な以下の説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつその真価が認識されよう。

本発明の幾つかの実施形態が使用され得る典型的なタービン機関を示す図である。図１のガスタービン機関の圧縮機区間を示す断面図である。図１のガスタービン機関のタービン区間を示す断面図である。本発明の幾つかの実施形態が使用され得るガスタービン機関のタービンアセンブリを示す斜視図である。従来設計にしたがうダブテールおよび台座構成を含むタービン翼を示す図である。別の従来設計にしたがうダブテールおよび台座構成を含むタービン翼を示す図である。本出願の典型的な実施形態にしたがうダブテールおよび台座構成を含むタービン翼を示す図である。

ここで図を参照すると、図１はガスタービン機関１００の模式図を示す。一般に、ガスタービン機関は、圧縮空気の絶え間ない流れの中で燃料を燃焼させることによって生み出される加圧高温ガス流からエネルギーを取り出すことによって稼働する。図１に例示したように、ガスタービン機関１００は、共通の心棒によって下流のタービン区間またはタービン１１０に機械的に結合される軸流圧縮機１０６と、この圧縮機１０６とタービン１１０との間に位置決めされる燃焼器１１２とを備えて構成され得る。以下の本発明は、例えば、ガスタービン機関、蒸気タービン機関、および航空機機関を含めて、すべての種類のタービン機関で使用可能であることに留意されたい。以降で、本発明はガスタービン機関に関連して説明されることになるが、本説明は、典型であるにすぎず、いずれにおいても限定を企図するものではない。

図２は、ガスタービン機関で使用可能である典型的な多段軸流圧縮機１１８の図を示す。図示のように、圧縮機１１８は複数の段を含み得る。各段は、圧縮機動翼１２０の列と、それに続く圧縮機静翼（ｓｔａｔｏｒｂｌａｄｅ）１２２の列とを含み得る。したがって、第１の段は、中心の心棒回りに回転する圧縮機動翼１２０の列と、それに続く稼働中に静止状態に留まる圧縮機静翼１２２の列とを含み得る。一般に圧縮機静翼１２２は、周方向へ相互に離間されて回転軸回りに固定される。圧縮機動翼１２０は、周方向へ離間されて、稼働中に心棒が回転するときにその回りを圧縮機動翼１２０が回転するように、心棒に取り付けられる。当業者なら理解するであろうように、圧縮機動翼１２０は、これらが、心棒回りに回転するときに、圧縮機１１８を通って流れる空気または動作流体に運動エネルギーを付与するように構成される。圧縮機１１８は、図２に例示されている段以外に多くの他の段を有し得る。追加的な段は、複数の周方向へ離間された圧縮機動翼１２０と、それに続く複数の周方向へ離間された圧縮機静翼１２２とを含み得る。

図３は、ガスタービン機関で使用可能である典型的なタービン区間またはタービン１２４の部分図を示す。このタービン１２４も複数の段を含み得る。３つの典型的な段が示されているが、より多くのまたはより少ない段がタービン１２４の中に存在し得る。各段は、稼働中に心棒回りに回転する複数のタービンバケットまたはタービン動翼１２６と、稼働中に静止状態に留まる複数のノズルまたはタービン静翼１２８とを含み得る。一般にタービン静翼１２８は、周方向へ相互に離間されて回転軸回りに固定される。タービン動翼１２６は、心棒（図示せず）回りに回転するためにタービン車（図示せず）の上に取り付けられ得る。高温ガス通路を通る高温ガスが流れる方向は、矢印によって示されている。当業者なら理解するであろうように、タービン１２４は、図３に示されている段以外にも多くの他の段を有し得る。それぞれの追加的な段は、タービン静翼１２８の列と、それに続くタービン動翼１２６の列とを含み得る。

本明細書で使用されるように、別途に特定しなければ、「動翼」と呼ぶ場合には、圧縮機１１８またはタービン１２４のどちらかの回転する翼を指し、これらは圧縮機動翼１２０およびタービン動翼１２６の両方を包含することに留意されたい。別途に特定しなければ、「静翼」と呼ぶ場合には、圧縮機１１８またはタービン１２４のどちらかの静止している翼を指し、これらは圧縮機静翼１２２およびタービン静翼１２８の両方を包含する。本明細書では「翼」という用語を使用してどちらかの種類の翼を指す。したがって、別途に特定しなければ、「翼」という用語は、圧縮機動翼１２０、圧縮機静翼１２２、タービン動翼１２６、およびタービン静翼１２８を含めて、すべての種類のタービン機関翼を包含するものである。

使用に際して、軸流圧縮機１１８内部の圧縮機動翼１２０を回転させると、空気流を圧縮することができる。燃焼器１１２では、この圧縮空気が燃料と混合されて点火されるときにエネルギーが放出され得る。次いで、燃焼器１１２から得られる高温ガス流はタービン動翼１２６の一面にわたって誘導され得、この誘導されたガス流は、タービン動翼１２６の心棒回りの回転を誘発し得、それによって高温ガス流のエネルギーが回転する翼および回転する心棒（この心棒の中で動翼間が連結されているので）の機械的エネルギーに変換される。次いで心棒の機械的エネルギーを使用して、圧縮空気の必要な供給量が生み出されるように圧縮機動翼１２０の回転を駆動し、かつ、例えば、発電するために発電機も駆動することができる。

図４は、ガスタービン機関１００のタービンアセンブリ１３０の一部を示す。このタービンアセンブリ１３０は、燃焼器（図４に図示せず）から高温燃焼ガス１３１を受け取るために、この燃焼器の下流に取り付けられ得る。タービンアセンブリ１３０は一般に、複数のタービン動翼１２６が固着された翼車１３２を備える。典型的には、タービン動翼１２６は、付け根１３８から径方向へ延びるエーロフォイル１３６を備え、この付け根は一般にエーロフォイルと一体である。台座１４０が、エーロフォイル１３６の基部に配置されて、この台座も一般にエーロフォイルと一体である。タービンアセンブリ１３０は、軸方向中心線軸１４１回りに軸対称である。環状シュラウド１４２が、翼１２６を包囲して、静止している静翼外筒（図示せず）に適切に接合される。このシュラウド１４２は、それと動翼１２６との間に相対的に小さいクリアランスまたは間隙を設けるが、これは稼働中に燃焼ガス１３１が翼１２６の上方に漏れるのを制限する。

一般にエーロフォイル１３６は、凹状の圧力側壁または圧力側面１４３と周方向にまたは横方向に対向する凸状の吸引側壁または吸引側面１４４とを具備する。圧力側壁１４３および吸引側壁１４４は、両方とも先縁１４６と後縁１４８との間で軸方向へ延びる。圧力側壁１４３および吸引側壁１４４はさらに、台座１４０における径方向内側の付け根１３８と径方向外側の翼端１５０との間で径方向へ延びる。

当業者なら理解するであろうように、付け根１３８は一般に、軸部１５２（その径方向外側表面が台座１４０である）およびダブテール１５４を含む。ダブテール１５４は付け根１３８の径方向内側区間であり、他方で軸部１５２は、ダブテール１５４をエーロフォイル１３６に連結する区間である。例示のように、ダブテール１５４は、複数のタング１５６を含む側面入口型構成を有し、この構成は一般に付け根１３８に鋸歯状断面を与える。軸部１５２は、ダブテール１５４の径方向外側部分から軸部１５２の径方向外側表面（これは述べたように台座１４０である）まで延びる。エーロフォイル１３６と同様に、付け根１３８は、後縁または後面１５８と先縁または先面１６０とを有するものとして説明可能であり、例示のように、付け根１３８は、後面１５８から先面１６０にかけて直線方向へ延び得る。さらには、付け根１３８は、圧力面１６２および吸引面１６４を有するものとして説明可能であり、これらは、それぞれにエーロフォイル１３６の圧力側面１４３および吸引側面１４４に対応する。

翼車１３２は、その周回りに形成された複数のダブテール溝１６６を有し得る。ダブテール溝１６６のそれぞれは、各ダブテール１５４がダブテール溝１６６の中に軸方向へ挿入され得るように、動翼１２６のダブテール１５４に対して対の片方として形成され得る。ダブテール１５４／ダブテール溝１６６の構成は、動翼１２６を翼車１３２に連結して稼働中に動翼１２６が径方向へ変位するのを防止することが理解されよう。例示のように、ダブテール１５４は、直線的、すなわち、後面１５８から先面１６０にかけて直線的な配向を有することが可能であり、ダブテール溝１６６も同様に直線的に配向され得る。動翼１２６は、この様態で形成されると、直線様式でダブテール溝１６６の中に軸方向へ挿入され得る。以下でより詳細に論じるように、付け根に曲線的構成も可能である。

本発明は、それがタービン動翼１２６における使用に関連して論じられていることに留意されたい。述べたように、タービン動翼とは、タービン機関のタービン区間内部で回転する翼である。本説明は、本明細書に説明の本発明の実施形態をタービン動翼における使用のみに限定するものではないので、典型であるにすぎない。当業者なら理解するであろうように、本発明は、一般にタービン機関の圧縮機区間内部で回転する翼である圧縮機動翼１２０にも応用可能である。したがって、別途に特定しなければ、本明細書で「動翼」と呼ぶ場合には、タービン動翼および圧縮機動翼の両方を包含しようとするものである。そして、タービン動翼に応用される実施例は、圧縮機動翼における本発明の使用を排除しようとするものではない。

図５は、図４に示したものと同様に、従来の直線的な付け根１３８を有する動翼を示す。この直線的な付け根１３８は、付け根１３８の後面１５８から先面１６０にかけて直線的な配向を有する台座１４０およびダブテール１５４を含む。より具体的には、付け根１３８の圧力面１６２および吸引面１６４が、曲線的ではなくて後面１５８から先面１６０にかけて略直線様態で延びる。直線的に配向された台座１４０は、形状が略直線的であることが理解されよう。台座１４０の各縁は、後面１５８、先面１６０、圧力面１６２、および吸引面１６４とのこれらの各縁の関係によって識別可能である。したがって、台座１４０は、後縁１７０、先縁１７２、圧力縁１７４、および吸引縁１７６を含むものと説明可能である。従来の直線的な設計によれば、圧力縁１７４が略直線的または大体真っ直ぐである。同様に、吸引縁１７６も略直線的または大体真っ直ぐである。述べたように、ダブテール１５４も後面１５８から先面１６０にかけて略直線様態で延び得る。軸部１５２の他の部分も同様に直線的であり得る。説明したように、エーロフォイル設計の性能基準は、エーロフォイルが組み立てられた構成で位置決めされるときに「入れ子式」になることを必要とし得る。このような状況であるとき、翼を直線的に取り外すこと（それは図５と同様な直線的構成に関して問題となるところである）が不可能になる。

図６は、従来の曲線的な付け根１３８を有する動翼を示す。この曲線的な付け根は、曲線的な台座１４０および曲線的なダブテール１５４を含み得る。この場合では、付け根１３８の圧力面１６２および吸引面１６４が曲線的である。台座１４０の圧力縁１７４が凹曲線を形成し得る。台座１４０の吸引縁１７６が、それは凸曲線であり得るが、同様に曲線を形成し得る。述べたように、ダブテール１５４も同様の曲線を形成し得る。軸部１５２の他の部分が同様の曲線を形成し得る。これらすべての構成要素の曲率は同様であり得るが、それは一般に円弧である。

図７は、本発明の典型的な実施形態にしたがう曲線的な台座１４０および直線的なダブテール１５４を有する動翼を示す。例示のように、このダブテール１５４は、図５のダブテール１５４と実質的に同様であり得る。すなわち、このダブテール１５４は実質的に直線的であり、かつ実質的に直線的なダブテール溝１６６と嵌まり合うように構成され得る。幾つかの実施形態では、直線的なダブテール１５４およびダブテール溝１６６は、取付け時に、それぞれが中心線軸１４１と平行に延びるように位置合わせされ得る。他の実施形態では、直線的なダブテール１５４およびダブテール溝１６６は、中心線軸１４１の方向に対して斜めとなり得る。ダブテール１５４は直線的であるが、本発明の典型的な実施形態によれば、台座１４０は曲線的、すなわち、図６の台座１４０構成と実質的に同様であり得る。具体的には、例示のように、台座１４０の圧力縁１７４が、曲線（それは好ましい実施形態では凹曲線である）を形成することができる。同様に、台座１４０の吸引縁１７６は、この吸引縁１７６が凸曲線を形成し得るが、同様に曲線を形成し得る。好ましい実施形態では、吸引縁１７６および圧力縁１７４の曲率は、台座１４０の幅の分だけずれているが、実質的に同じであり得る。この様態では、１枚の翼の圧力縁１７４は、隣接する翼の台座１４０が滑らかで実質的に連続的な表面を形成するように、隣接する翼の吸引縁１７６に係合し得る。

例示のように、台座１４０の後縁１７０および先縁１７２は、必要条件ではないが、依然として直線的であり得る。台座下方の軸部１５２の一部は一般に、曲線的な台座１４０と直線的なダブテール１５４との間の移行部を形成し得る。述べたように、幾つかの好ましい実施形態では、圧力縁１７４および吸引縁１７６の曲率は大体同じである。さらには、幾つかの好ましい実施形態では、圧力縁１７４および吸引縁１７６の曲線が近似円の円弧を形成し得る。当業者なら理解するであろうように、本発明に一貫する付け根構成は、図５に例示したもののように、直線的な付け根構成に関連する利点を与え得るばかりでなく、他方では図６に例示したもののように、曲線的な付け根構成に関連する利点も与えるものである。

本発明の好ましい実施形態の以上の説明から、当業者は改良、変更、および改造を想起しよう。当業におけるこのような改良、変更、および改造は、付属の特許請求の範囲によって網羅されることが企図されている。さらに、以上は本出願の説明された実施形態のみに関するものであって、数多くの変更および改造が、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって画定された本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく、本実施形態において実施可能であることは当然ながら明白である。

１００ガスタービン機関
１０６圧縮機
１１０タービン
１１２燃焼器
１１８圧縮機
１２０圧縮機動翼
１２２圧縮機静翼
１２４タービン
１２６タービン動翼
１２８タービン静翼
１３０タービンアセンブリ
１３１高温燃焼ガス
１３２翼車
１３６エーロフォイル
１３８付け根
１４０台座
１４１中心線軸
１４２環状シュラウド
１４３圧力側面
１４４吸引側面
１４６先縁
１４８後縁
１５０翼端
１５２軸部
１５４ダブテール
１５６タング
１５８後面
１６０先面
１６２圧力面
１６４吸引面
１６６ダブテール溝
１７０後縁
１７２先縁
１７４圧力縁
１７６吸引縁

Claims

付け根（１３８）と、前記付け根（１３８）から径方向へ延びるエーロフォイル（１３６）とを備え、前記付け根（１３８）は直線的なダブテール（１５４）および曲線的な台座（１４０）を具備するタービン機関用動翼（１２０）、（１２６）。
前記付け根（１３８）は軸部（１５２）を備え、前記軸部（１５２）は前記ダブテール（１５４）から延びて径方向外側表面に前記台座（１４０）を備え、
前記台座（１４０）は、前記タービンを通る流路の径方向最内境界の少なくとも一部を画定する軸方向および周方向に配向された表面を備え、
前記エーロフォイル（１３６）は前記台座（１４０）から径方向外側へ延びる、請求項１記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記直線的なダブテール（１５４）は、中心線軸（１４１）の方向に対して平行および中心線軸（１４１）の方向に対して斜めの１つである直線的なダブテール溝（１６６）に係合するように構成される、請求項１記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記台座（１４０）は、前記エーロフォイル（１３６）の圧力側面（１４３）と重なる圧力縁（１７４）と、前記エーロフォイル（１３６）の吸引側面（１４４）と重なる吸引縁（１７６）とを備え、
前記圧力縁（１７４）および前記吸引縁（１７６）の両方が曲線的である、請求項１記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記圧力縁（１７４）は凹曲線を含み、かつ前記吸引縁（１７６）は凸曲線を含む、請求項４記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記圧力縁（１７４）の前記凹曲線の曲率および前記吸引縁（１７６）の前記凸曲線の曲率は実質的に同じである、請求項５記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記圧力縁（１７４）の曲率および前記吸引縁（１７６）の曲率は、前記動翼（１２０）、（１２６）と前記動翼（１２０）、（１２６）に隣接する位置に取り付けられる第２の同様に形成された動翼（１２０）、（１２６）とが適切に取り付けられるとき、前記隣接する動翼（１２０）、（１２６）の台座（１４０）が実質的に連続的な表面を形成するように、前記動翼（１２０）、（１２６）の前記吸引縁（１７６）が前記第２の動翼（１２０）、（１２６）の前記圧力縁（１７４）に係合するように構成される、請求項５記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記圧力縁（１７４）の曲率および前記吸引縁（１７６）の曲率は、前記動翼（１２０）、（１２６）と前記動翼（１２０）、（１２６）に隣接する位置に取り付けられる第２の同様に形成された動翼（１２０）、（１２６）とが適切に取り付けられるとき、前記隣接する動翼（１２０）、（１２６）の台座（１４０）が実質的に連続的な表面を形成するように、前記動翼（１２０）、（１２６）の前記圧力縁（１７４）が前記第２の動翼（１２０）、（１２６）の前記吸引縁（１７６）に係合するように構成される、請求項５記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記圧力縁（１７４）の前記凹曲線の曲率および前記吸引縁（１７６）の前記凸曲線の曲率は近似円の円弧を含む、請求項５記載の動翼（１２０）、（１２６）。
前記付け根（１３８）は軸部（１５２）を備え、前記軸部（１５２）は前記ダブテール（１５４）から延びて径方向外側表面に前記台座（１４０）を備え、
前記軸部（１５２）は、前記曲線的な台座（１４０）と前記直線的なダブテール（１５４）との間に移行部を形成する、請求項１記載の動翼（１２０）、（１２６）。