JP2010535968A - タービンのロータ機構 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータ（１）と、このロータ（１）内に係止された、環状のリムの形態に配置された複数の羽根（２）との間の密封性を改善するための、タービンの機構に関する。ロータは、ほぼ軸方向に延在する複数の凹部（４）を具備し、これらの凹部（４）の中に、相応する翼根プロファイル（１６）を有する羽根（２）のリムが、ほぼ軸方向である挿入方向（８）に形状結合および／または摩擦結合するように挿入され、かつ、ロータ（１）は、それ自身の上方の凹部（４）の間に、軸方向（Ａ）および円周方向に延在する接線方向の平面部分または外周面部分（５、５’）を具備し、これらの部分は、周囲に沿って隣接して配置された羽根（２）の下部シュラウドバンド（７）によって、半径方向に実質上少なくとも間接的に被覆される。その際、接線方向の平面部分あるいは外周面部分（５、５’）の少なくとも１つが、半径方向の段差部（１３）を備えており、かつ、この段差部の上方に配置された羽根（２）のシュラウドバンド（７）の下側に、段差部と可能な限り同一平面において当接する、相応する凹部（１２）が設けられている。さらに、本発明は、それに対応するロータあるいは羽根に関する。

Description

本発明は、ロータと、ロータ内に係止された、環状のリムの形態に配置された複数の羽根との間の密封性を改善するための、請求項１の上位概念に記載の方法に関する。さらに、本発明はまた、これに対応して形成されたロータあるいは羽根に関する。

以前から周知であり、例えば特許文献１または同様に特許文献２からも明らかであるが、特にタービンのロータでは、各羽根がロータのリム内に固定されている。この固定は、ロータの外周に、多数の凹部を軸向きにして円周方向に互いに平行に並べて配置することによって実現され、これらの凹部は、例えばクリスマスツリー形の断面形状の雌型として形成されている。組み込まれる羽根は、形状の点で相応する翼根を具備し、この翼根は、対応する雌型に対して、クリスマスツリー形の断面形状の雄型として形成されている。ロータを組み立てる際、羽根は、軸方向にロータの凹部の中へ徐々に押し入れられ、その際、隣接し合う羽根の間を密封するために、隣接する羽根の下部シュラウドバンドが、互いに並列に摺動し合う。特許文献３から公知であるように、この場合、一方では、隣接するシュラウドバンド間に、常時、可能な限り良好な密閉性がなければならず、しかし、また一方では、熱による各構成要素の膨張を考慮しなければならないということに注意する必要がある。

米国特許第６０３０１７８号明細書 米国特許公開第２００４／１６５９８９号明細書 国際特許出願公開第０３／０２７４４５号明細書 米国特許第５０６７８７７号明細書

従って、本発明の課題は、とりわけ、冒頭に挙げた様式のロータの構造体における密閉性を改善するための簡単な方法を提示することである。従って、特に、環状のリムの形態に配置された複数の羽根がそれ自体の中に係止されているロータに関して、この種の改善がなされた方法を提案することである。その際、ロータは、ほぼ軸方向に延在する、異形の断面形状を有するように成形された複数の凹部を具備し、これらの凹部の中に、この断面形状に相応する形状を有する羽根から成るリムが、ほぼ軸方向である挿入方向に、好ましくは形状結合および／または摩擦結合するように挿入されている。さらに、ロータは、それ自身の上方の凹部間に、軸方向および円周方向に延在する接線方向の平面部分または外周面部分を有し、これらの部分は、周囲に沿って隣接して配置された羽根の下部シュラウドバンドによって、半径方向に実質上少なくとも間接的に被覆される。

この課題は、接線方向の平面部分の、あるいは外周面部分の少なくとも１つが、半径方向の段差部を備え、そして、この段差部の上方に配置された羽根のシュラウドバンドの下側に、相応する凹部が設けられることによって解決される。

従って、本発明の根幹は、いわばラビリンスシールという形で、ロータと羽根またはシュラウドバンドとの間における密閉性の改善を保証することにある。その際、副次的な効果として、段差部を工夫して構成することで、羽根を挿入時にストッパに当接させることができる。換言すれば、段差部によって、固定のための適切な軸方向位置が前もって定められる。

このストッパは、例えば特許文献４に記載の従来技術から、およびこの種のロータの分野における多くの他の文献から公知であるものとは異なり、環状構造（ストッパリング）ではなく、それぞれ外周面部分の領域にのみ配置された、本提案に係る段差部だけが利用される。これにより、同時にまた、求められている密封作用、または所望通りの冷気の流れを実現することができる。

本方法の好ましい第１の実施形態は、段差部が、周囲に配置された、ロータの全ての外周面部分に設けられ、それに相応する凹部が全ての羽根に設けられることを特徴とする。これにより、例えば、半径方向に外側に向かって延在する段差部をロータに設けることが可能である。これは、まず、外周面部分が、これらの平面的な段差部の外半径に等しい外半径を有するように形成され、それに続いて、段差部が配置されていない領域を所望の深さにまでフライス加工で切削することによって実現される。相応する凹部は、適当な方法で、羽根のシュラウドバンドの下側に設けることができる。

特に、上で言及した、羽根を軸方向に固定するためのストッパとしての副次的な作用に関して、有利であるのは、段差部が、挿入側とは反対の、ロータのストッパ側に配置されていて、好ましくは、このストッパ面と同一平面にある場合である。段差部は、軸方向断面が矩形または正方形の断面形状を有するように（しかしまた三角形、台形または適当な丸みを帯びた形状も可能である）、外周面部分に環状部として構成されているのが好ましい。面法線が軸方向を指す半径方向部分（いわゆるストッパ面）と、面法線が軸方向を指す軸方向部分とが存在するのが好ましい。段差部は、外周面部分の軸方向範囲の５０％未満にわたって、好ましくは２０％未満にわたって、特に好ましくは外周面部分の軸方向範囲の１０％未満にわたって形成されているのが有利である。

本方法の１つの好ましい実施形態では、段差部は、それぞれ最終的な目的に資する、設計された各段差部に応じた半径方向高さを有するように構成されている。既に冒頭で述べたように、段差部と凹部とは同一平面に（軸方向および半径方向に）形成され、その際、必要に応じて、エッジ領域に、または段差部全体にわたって、補足的に密閉手段を設けること、あるいは、異形成形を施すことができ、この成形によって、上記一方の目的が実現される上に、特に所望されている密閉性の実現が図られるのが有利である。

さらに、本発明は、羽根、特に上述した方法で用いるための羽根に関する。この羽根は、翼形部とこの翼形部に形成された翼根とを有することを特徴とし、翼根は、翼根プロファイルと下部シュラウドバンドとを有し、シュラウドバンドの下側に、挿入方向かつロータ方向に開いた凹部が存在する。その際、この凹部は、翼形部の両側において、シュラウドバンド下側の接線方向幅全体または周囲幅全体にわたって延在するのが好ましい。通例、翼根プロファイルは、ダブテール形またはクリスマスツリー形に形成されている。さらに、この種の羽根は、追加的に上部シュラウドバンドを有することも可能である。

さらに、本発明は、ロータ、特に上述した方法で用いるためのロータに関し、好ましくは、上述の羽根と共に用いるためのロータに関する。このロータは、環状の羽根のリムを係止できるように構成されていることを特徴とし、そのために、このロータは、ほぼ軸方向に延在する異形成形された複数の凹部を具備し、これらの凹部の中へ、相応する翼根プロファイルを有する羽根のリムが、ほぼ軸方向である挿入方向に、好ましくは、形状結合および／または摩擦結合するように挿入できる。また、このロータは、それ自身の上方の凹部間に、軸方向および円周方向に延在する接線方向の平面部分または外周面部分を有し、これらの部分は、周囲に沿って隣接して配置された羽根の下部シュラウドバンドによって、半径方向に実質上少なくとも間接的に被覆される。その際、接線方向の平面部分の、または外周面部分の少なくとも１つが、半径方向の段差部を備えている。その際、異形成形された凹部は、ダブテール形またはクリスマスツリー形に形成されているのが好ましい。

その他の好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。

以下において、本発明について、図面を参照しながら実施例を用いて詳述する。

従来技術に従って羽根が適宜組み立てられたロータを示す種々の図であり、ａ）には、ロータの軸線に対して垂直方向の断面が示されており、ｂ）には、羽根を挿入する直前の軸方向の断面が示されており、ｃ）には、ロータへの挿入が完了した羽根が示されている。 本発明に係るロータあるいは羽根を示す図１と同様の図である。 本発明に係る羽根を有する、従来技術に従ったロータを示す上図と同様の図である。

次に、実施例を用いながら、冒頭および請求項に記した本発明についてさらに説明を行う。しかし、実施例に関する以下の説明は、請求項に記載された全般的な発明概念を制限するためのものではない。

まず、図１には、従来技術によるロータの構造体が示されている。

羽根が挿入されていないロータについて、ロータ軸線に対して垂直方向に切った断面を示した図１ａ）から分かるように、ロータ１は、ほぼ円筒表面の形をした外周面を有する中心部材を具備する。この外周面には、軸方向Ａに延在する凹部４が形成されている。この例では、凹部はクリスマスツリー形に形成されている。凹部４は、半径方向Ｒにおいて内側へ向かってロータ軸線の方向に延在する。クリスマスツリー形状は、それぞれ交互に配置された谷部１０および山部１１を具備し、これらの部分は軸方向に配置されている。凹部４は、軸方向に挿入される羽根２を収容する働きをし、羽根の翼根がそれに相応する雄形状を有するように形成されている。

凹部４は、ロータ１の周囲に均一に分散して配置されており、各凹部４の間にはほぼ円筒状の外周面部分が残っている。これらの外周面部分５は、羽根２が挿入されたとき、一般的には翼根３によって、あるいは具体的には羽根２の下部シュラウドバンド７によって覆われる。

従って、隣接し合う羽根２の間には軸方向の対称面６が存在し、２つの隣接する凹部４の間で、外周面はそれぞれ２つの外周面部分５および５’に分割される。これらの外周面部分５、５’は、実際、円筒表面の湾曲部分として構成することができるが、しかしまた、それぞれ接線方向平面としても構成することが可能であり、その際、５および５’は、同じ平面に配置することもでき、あるいは、互いに対して傾斜して配置することもできる。

図１ｂ）には、羽根の挿入の工程が模式的に示されている。この図は、ロータ軸線の平面、すなわち半径方向における断面図である。

羽根２は、翼形部９を有し、この翼形部は、必要であれば、半径方向外側の側面にさらにシュラウドバンドを有することができる（この図には示されていない）。下側に形成された翼根３は、一方の側に下部シュラウドバンド７を有し、このシュラウドバンドに、半径方向下向きに翼根プロファイル１６全体にわたって形成されている。

翼根プロファイル１６は、いわば、凹部４のネガに相当し、すなわち、相応するクリスマスツリー形に形成されている。その際、翼根プロファイル１６のクリスマスツリー形状は、可能な限り厳密に凹部４のクリスマスツリー形状に一致し、これにより、１６が４にしっかりと着座することが保証される。必要であれば、挿入方向８に凹部４のテーパを形成することによって、挿入時に羽根２が凹部４に自動的に挟着されることを保証することも可能である。また、特定の場合にこのような措置が好ましいオプションであることが明らかであるなら、代替的にまたは追加的に、翼根プロファイル１６に適当なテーパを設けることも可能である。

図１ｂ）から分かるように、羽根は、軸方向Ａである挿入方向８に凹部４の中へ挿入され、その際、下部シュラウドバンドは、通例、ほぼ同一平面において外周面部分５に当接する。

図１ｃ）には、羽根が挿入された状態が示されている。この図から分かるように、下部シュラウドバンド７とロータ１との間には軸方向に延びる当接エッジが形成されて、状況に応じて、このエッジは気流にも接触できる。

次に、図２には、この種の羽根２の、本発明に係る改良形態が示されている。図２には、図１と同様の図が示されており、すなわち、ａ）には、ロータの軸線に対して垂直方向の断面が示されており、ｂ）には、羽根を挿入する際の図が示されており、ｃ）には、挿入された羽根の側面図が示されている。

図２ａ）および２ｂ）から明らかなように、挿入方向８におけるロータ１の前端に（ストッパ側１４に）隆起部１３が配置されている。この隆起部はストッパ部材１３と呼ぶことができる。本例では、このストッパ部材１３は、円周方向においてそれぞれ隣接する２つの凹部４の間に、外周面部分５あるいは５’の接線方向範囲全体にわたって延在する。

しかしまた、例えばそれぞれ領域５にのみ、または領域５’にのみ、このようなストッパ部材１３を設けることも可能である。

しかし、図２に示された方式が、特に容易に実現可能である。なぜなら、この例では、外周面５の周囲半径が幾分大きくなるように容易にロータ１を構成することができ、挿入方向８においてストッパ部材１３の背後に位置する領域において、全周にわたってフライス削りあるいは回転削りを施すことができるからである（金属切削性）（ｍｅｔａｌｌｉｓｃｈ ａｂｇｅｚｏｇｅｎｅｓ Ｍｅｒｋｍａｌ）。

あるいは、ストッパ部材１３をいわば環状部分として、例えば螺着、溶接またはろう接によって外周面部分５上に設けることも可能である（金属付加性）（ｍｅｔａｌｌｉｓｃｈ ａｕｆｇｅｓｅｔｚｔｅｓ Ｍｅｒｋｍａｌ）。

通例、ストッパ部材１３は、図２ｂ）から分かるように、軸方向断面が矩形である。しかしまた、ストッパ部材１３を台形に形成すること、あるいは三角形に形成することも可能である。この場合、傾斜した側部を羽根２の方に向けておくことができるので、これにより、羽根２を摺動した際にさらに楔着が生じる。

一方、羽根２は、シュラウドバンド７の下側に、ストッパ部材１３に対応する凹部１２を具備する。この凹部１２は、挿入方向８において羽根２の前端に配置されている。凹部１２は、いわゆる雄型のストッパ部材１３に相応する雌型の断面形状を有する。

図２ｃ）から明らかなように、凹部１２が、ストッパ部材１３を自らの中に完全に収容して、ストッパ部材の、軸方向を向いた面上に達するまで、羽根が押し入れられることによって、ストッパ部材１３は、羽根の終端位置を画定する。従って、本発明による密閉作用とは別に、本発明に係る態様によって、羽根が正確に軸方向に位置決めされる。

このようにして、シュラウドバンド７とロータ１との間にエッジが角度を有して延在することにより、いわゆるラビリンスシールがロータと羽根との間に生じる。ロータと羽根との間のこのラビリンスシールは、密閉材料をこれらの両部材の間に挿入することによってさらに補強することができる。

また、段差を有するこの形状は、特定用途のために、例えば冷却用に所望の空気量を精確に間隙の中に流すために利用することもできる。従って、例えば、冷気流路を部分５の中から半径方向外側へ通して、次にそこから吹き出された冷気をストッパ部材１３と凹部１２との間の段差を有する延在部に沿って案内することが可能である。

ロータの直径が従来通りで、平面の軸方向長さが３０ｍｍから４００ｍｍの範囲である場合、ストッパ部材１３は、軸方向Ａの幅が３ｍｍから２０ｍｍの範囲で、半径方向Ｒの高さが１ｍｍから２０ｍｍの範囲であるように形成されるのが好ましい。

さらに、図３から明らかなように、ここに提示した態様の場合、利点として、本発明に従って形成された羽根を既存のロータ１、すなわち、ストッパ部材１３のないロータの上を摺動させることができるという点がある。従って、凹部１２の存在が、新たな羽根と既存のロータとの適合性を損なうことはない。新たな動翼を、直ぐに既存のロータに組み込むことが可能である（羽根のレトロフィット）。このようにして実現可能かつ利用可能である柔軟性によって、レトロフィット利用という点で非常に大きな自由度が得られる。

１ ロータ
２ 羽根
３ 翼根
４ クリスマスツリー形の軸方向凹部
５ １の外周面部分
６ 隣接し合う羽根の間の軸方向対称線
７ ２の環状被覆領域、下部シュラウドバンド
８ 挿入方向
９ 翼形部
１０ ４の谷部
１１ ４の山部
１２ ７の下側の凹部
１３ ストッパ部材
１４ １のストッパ側
１５ １の挿入側
１６ 翼根プロファイル
Ａ 軸方向
Ｒ 半径方向
Ｔ 接線方向

Claims (14)

1. ロータ（１）と、このロータ（１）内に係止された、環状のリムの形態に配置された複数の羽根（２）との間の密封性を改善するための方法であって、前記ロータが、ほぼ軸方向に延在する複数の凹部（４）を具備し、これらの凹部の中に、凹部（４）に相応する翼根プロファイル（１６）を有する羽根（２）のリムが、ほぼ軸方向である挿入方向（８）に形状結合および／または摩擦結合するように挿入され、かつ、前記ロータ（１）が、それ自身の上方の凹部（４）の間に、軸方向（Ａ）および円周方向に延在する接線方向の平面部分または外周面部分（５、５’）を具備し、これらの部分が、周囲に沿って隣接して配置された羽根（２）の下部シュラウドバンド（７）によって、半径方向に実質上少なくとも間接的に被覆される方法において、
   接線方向の平面部分あるいは外周面部分（５、５’）の少なくとも１つが、半径方向（Ｒ）の段差部（１３）を備えており、この段差部の上方に配置された羽根（２）のシュラウドバンド（７）の下側に、相応する凹部（１２）が設けられていることを特徴とする方法。
2. 前記段差部（１３）が、周囲に配置された、ロータ（１）の全ての外周面部分（５、５’）に設けられ、相応する凹部（１２）が全ての羽根（２）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記段差部（１３）が、挿入側（１５）とは反対のストッパ側（１４）に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記段差部（１３）の軸方向断面が矩形または正方形の断面形状を有するように、前記段差部が外周面部分（５、５’）に環状部分として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記段差部（１３）が、外周面部分（５、５’）の軸方向範囲の５０％未満にわたって、好ましくは２０％未満にわたって、特に好ましくは外周面部分（５、５’）の軸方向範囲の１０％未満にわたって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記段差部（１３）の半径方向高さが１ｍｍから２０ｍｍの範囲、特に好ましくは５ｍｍ程度であり、および／または、軸方向延在部が３ｍｍから２０ｍｍの範囲、特に好ましくは４ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記段差部（１３）と前記凹部（１２）とが同一平面に構成され、その際、特に好ましくは、エッジ領域に密閉手段が配置できることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 当該の羽根（２）が翼形部（９）とこの翼形部に形成された翼根（３）とを有し、この翼根（３）が翼根プロファイル（１６）と下部シュラウドバンド（７）とを有すること、および、このシュラウドバンド（７）の下側に、挿入方向（８）かつロータ（１）方向に開いた凹部（１２）が存在し、この凹部（１２）が、好ましくは、翼形部（９）の両側において、シュラウドバンド（７）の下側の接線方向幅全体または周囲幅全体にわたって延在することを特徴とする羽根、特に請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法で用いるための羽根。
9. 前記翼根プロファイル（１６）が、ダブテール形またはクリスマスツリー形に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の羽根。
10. 当該の羽根（２）が、さらに上部シュラウドバンドを有することを特徴とする請求項８または９に記載の羽根。
11. 特に請求項１〜７のいずれか１つの記載の方法で用いるためのロータ（１）であって、
    このロータが、環状の羽根（２）のリムを係止できるように構成されており、ほぼ軸方向に延在する異形成形された複数の凹部（４）を具備していて、これらの凹部（４）の中へ、相応する翼根プロファイル（１６）を有する羽根（２）のリムが、形状結合および／または摩擦結合するように、ほぼ軸方向である挿入方向（８）に挿入できること、および、ロータ（１）が、それ自身の上方の凹部（４）の間に、軸方向（Ａ）および円周方向に延在する接線方向の平面部分または外周面部分（５、５’）を有し、これらの部分が、周囲に沿って隣接して配置された羽根（２）の下部シュラウドバンド（７）によって、半径方向に実質上少なくとも間接的に被覆され、その際、接線方向の平面部分または外周面部分（５、５’）の少なくとも１つが半径方向（Ｒ）の段差部（１３）を備えていることを特徴とするロータ（１）。
12. 前記異形成形された凹部（４）が、ダブテール形またはクリスマスツリー形に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のロータ（１）。
13. 当該ロータ（１）の周囲が、１段当たり同じ数または異なった数の羽根を取り付けることが可能であるように形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のロータ。
14. 当該ロータ（１）および／または前記羽根が、前方領域または後方領域における軸方向固定を可能にする手段を有するように構成されていることを特徴とする請求項８および１１に記載のロータ。

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