JP2011137447A - 連結式タービンバケットを取付けるための固定治具及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な幾何学的形状を有する軸方向挿入式タービンバケット（１０）をロータホイール（６０）に組付けるための固定治具（１００）及び方法を提供する。
【解決手段】本固定治具（１００）は、ロータホイールパッキン径（７０）の周りに互いにボルト止めされて移送リング（１４０）の取付けベースを構成した分割リングシャフトクランプ（１２０）を特徴とする。移送リング（１４０）は、ロータホイール（６０）の周りに取付けられかつ該ロータホイール（６０）に当接する。移送リング（１４０）は、バケットホルダ（１６０）を受ける円周方向スロット（１５０）を含む。タービンバケット（１０）を装填したバケットホルダ（１６０）は、移送リング（１４０）上に挿入されかつ円周方向周りに移動させて、該タービンバケット（１０）をロータホイール（６０）上のスロット（６５）に整列させる。押圧力を加えて、タービンバケット（１０）をバケットホルダ（１６０）からロータホイール上のスロット（６５）内に捩れ移動させる。
【選択図】 図９

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械のロータホイールの軸方向挿入式スロット内に連結式タービンバケットを取付けるための固定治具及び方法に関する。

ターボ機械用のロータは多くの場合、大型鍛造品から機械加工される。鍛造品から切削したロータホイールは多くの場合、ターボ機械バケットの根元を受ける取付けのためのスロットを加工される。より大きなターボ機械出力及びより効率的なターボ機械性能の要求が増大し続けているので、より大型のかつより多くの連結式ターボ機械バケットが実際の使用に向けて配置されている。

前述の要素は、空気力学的、熱力学的及び機械的特性を向上させた最終段蒸気タービンバケットに関して特に重要なものである。タービンの最終段バケットは、ここ暫くの間、重要な開発業務の課題となっている。この最終段バケットの性能を最適化して空気力学的損失を減少させかつタービンの熱力学的性能を向上させることが大いに望ましい。最終段バケットは、広範囲の流量、負荷及び強力な動的力に曝される。最終バケット輪郭設計に影響を与える要素には、バケットの有効長さ、ピッチ径、並びに超音速及び亜音速流れ領域の両方における高作動速度が含まれる。減衰性及びバケット疲労もまた、バケット及びその輪郭の機械的設計において考慮しなければならない要素である。バケットのこれらの機械的及び動的応答特性並びに空気−熱力学特性又は材料選択のようなその他の要素が全て、最適なバケット輪郭に影響を与える。従って、最終段蒸気タービンバケットは、広範な作動範囲にわたり最少の損失で最適な性能を得るように正確に形成したバケット輪郭を必要とする。バケットは多くの場合、オーバハング部を有する複雑なブレード幾何学的形状を含むことになる。

ロータホイール上の隣接するタービンバケットは一般的に、周辺部の周りで何らかの形態のカバーバンド又はシュラウドバンドによって互いに連結されて、良好に形成した通路内に作動流体を閉じ込めかつバケットの剛性を増大させる。連結したシュラウドは多くの場合、ロータホイール上へのバケットの組付けにおいて障害となる可能性がある。バケットにおける内側プラットフォームは、一体結合端縁部を含むことができ、この端縁部もまた、ロータホイール上への組付けの障害となる可能性がある。

米国特許第５１８３２４４号明細書

従って、ターボ機械におけるロータホイール上への連結式バケットの装着を可能にするための装置及び方法を提供することが望ましいと言える。

簡潔に言えば、本発明の１つの態様によると、ダブテールを有するタービンバケットをターボ機械の軸方向挿入式ロータホイールに取付ける固定治具を提供する。本固定治具は、タービンバケットを装着する軸方向挿入式ロータホイールの前方でパッキン径の周りに円周方向に取付けられた移送リングを含む。移送リングは、ロータホイールの前面に当接しかつ装填のための円周方向スロットを含む。タービンバケットホルダが設けられ、タービンバケットホルダの各々は、相補形ダブテールを有するタービンバケットを受けるダブテールスロットを含みかつさらに移送リングの円周方向スロット内で摺動する根元を含む。移送リングの周りでタービンバケットホルダを円周方向に位置決めして軸方向挿入式ロータホイールのダブテールスロットと整列するように該バケットホルダを配向させる手段が、設けられる。

本発明の別の態様によると、軸方向挿入式ダブテールバケットスロットを備えたロータホイール上に連結式タービンバケットを取付ける方法を提供する。本方法は、複数のタービンバケットを装着するロータホイールの前方でロータシャフトに移送リングを取付けるステップを含む。ロータホイールのための各ダブテール付きタービンバケットが、タービンバケットホルダの相補形ダブテールスロット内に装填される。本方法は、移送リング上にタービンバケットホルダを装填して、各タービンバケットホルダがロータホイールのダブテールスロットと円周方向に整列した状態で配置されるようにするステップを含む。タービンバケットは、タービンバケットホルダからロータホイールの対応するダブテールスロット内に軸方向に付勢される。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。

蒸気タービン用の連結式バケットを示す図。 シャフトクランプの前面図。 シャフトクランプの側面図。 移送リングの前面図。 移送リングの側面図。 タービンバケットホルダの断面図。 タービンバケットホルダにおける本体の端面図。 本体を斜め配向したタービンバケットホルダの上面図。 シャフトクランプ及び該シャフトクランプ上に据付けられた移送リングを備えたロータを示す図。 部分的にタービンバケットホルダを装填した移送固定治具を備えたロータを示す図。 移送リング上への最終タービンバケットホルダの半径方挿入を示す図。 移送リングからロータホイールへのタービンバケットの移動を示す図。 本発明の固定治具の実施形態を使用して軸方向挿入式ロータホイールに連結式バケットを装着する方法におけるフローチャート。

以下の本発明の実施形態は、ターボ機械におけるロータホイール上への複雑なバケットの容易な組付けを可能にすることを含む多くの利点を有する。本発明は特に、軸方向挿入式ダブテールを備えたロータホイール上への組付けを対象としている。

複雑なバケット設計及びベーン形状は、これ迄は時として、組付け問題のために回避されてきた。本発明の固定治具により、組付けにおける懸案がない状態で最新の空気力学的設計機構を組込む設計技術者の自由度が可能になる。オーバハング部を有する複雑なベーン設計、オーバハングしかつ一体結合した端縁部を有する複雑なブレード根元幾何学的形状、及び拡張かつ結合したシュラウド機構は、本発明の固定治具により対応することができる。本発明はさらに、最新の設計バケットを組付けかつ取外す着実な方法を提供する。

分割リングシャフトクランプが、ホイールパッキン径の周りに取付けられる。全組付け固定治具が、タービンバケットを装着する既存のロータホイールの前方に配置される。移送リングが、タービンバケットホルダを受けるｔ−スロットを構成する。移送リングは、分割リングシャフトに配置されかつボルト止めされる。バケットホルダは、ロータホイール上のダブテールへの嵌合を容易にするより大きい公差を有する状態になったバケットダブテールと同じ形状のダブテールを有する。タービンバケットは、移送リングがほぼタービンバケットで満たされた状態になるまで、各タービンバケットホルダ内に配置される。最終バケットが、半径方向に挿入される。移送リング上に最終タービンバケットを装填した後に、タービンバケットは次に、ロータホイールのダブテールスロット内に整列させかつ係合される。タービンバケットは次に、バケットが最終据付け位置に配置されるまで軸方向に捩れ移動されて、組付けが完了する。

図１は、本発明の固定治具及び方法を利用することができる利点を有する最新設計のタービンバケットを示している。しかしながら、本固定治具及び方法は、従来型設計のタービンバケットでの使用にも同様に適用可能であることを理解されたい。タービンバケット１０は、ベーン２０、先端シュラウド３０、及び根元４５を備えたプラットフォーム４０を含む。根元４５は、ロータホイール（図示せず）の相補形ダブテールスロット（図示せず）内に軸方向挿入するダブテール５０を含むことができる。

本発明の実施形態によると、ダブテールを有する複数の連結式タービンバケットをターボ機械の軸方向挿入式ロータホイールに取付けるための固定治具を提供する。ターボ機械は、蒸気タービンとすることができ、またガスタービンとすることができる。

図２は、シャフトクランプ１２０の正面図を示している。図３は、シャフトクランプ１２０の側面図を示している。シャフトクランプ１２０は、バケットを装着する軸方向挿入式ロータホイールの前方でパッキン径上に取付けられる。シャフトクランプ１２０は、上半部リングセクション１２１及び下半部リングセクション１２２を含む。取付ける場合に、２つの半部リングセクション１２１、１２２は、ロータシャフト（図示せず）のパッキン径の周りに互いにボルト止めすることができる。ボルト止め装置１２３は、合せ継手１２６において各半部リングセクションの前面１２５上に配置された陥凹部１２４内に設けて、パッキン径（図示せず）の周りに２つの半部リングセクションを取付けるようにすることができる。シャフトクランプ１２０はさらに、２つの半部リングセクションの外周部の周りに、シャフトクランプの背面１２８に対して移送リング１４０（図４）の前面をボルト止めする複数の軸方向貫通孔１２７を含むことができる。シャフトクランプの外径１２９は、移送リングの外径よりも小さくして、バケット装填作業時に該移送リングの前面への邪魔のないアクセスを可能にするようにすることができる。ロータ上にシャフトクランプを取付けるための軸方向位置は、バケット装填時にロータホイールに対して移送リングを当接させるように選択することができる。シャフトクランプの内表面とパッキン径との間にクッション材料を配置して、シャフトクランプを取付ける時におけるパッキン径の外表面に対する損傷を防止することができる。

図４は、移送リングの正面図を示している。図５は、移送リングの側面図を示している。移送リング１４０は、タービンバケットを装着する軸方向挿入式ロータホイールの前方でパッキン径の周りに円周方向に取付けることができる。移送リング１４０は、水平継手１４７において分割された上半部リングセクション１４１及び下半部リングセクション１４２を含むことができる。この場合には、移送リングセクションは、前面１４４上に、シャフトクランプ１２０の背面に対して取付けるためのタップ孔１４３を含むことができる。シャフトクランプ１２０上に取付けられると、移送リング１４０の背面１４６は、ロータホイール（図示せず）の前面に当接させかつ半径方向に位置決めして、移送リングからロータホイールのダブテールスロットへのダブテールバケット（図示せず）の移送（移動）を促進させることができる。移送リング１４０は、その中にタービンバケットホルダ（図示せず）の根元を挿入することができる円周方向スロット１５０を含む。

図６は、円周方向スロット１５０を拡大して図示した状態でタービンバケットホルダ１６０の断面図を示している。円周方向スロット１５０は、移送リングの半径方向外表面１５３に連結した外側スロット部分１５２、及び内側スロット部分１５４を含むことができる。これらのスロット部分は共同して、移送リング１４０の半径方向外表面１５３から開口した逆Ｔ字状トラックを形成する。

その数がタービンバケットを受けるロータホイール上のダブテールスロットに等しい複数のタービンバケットホルダ１６０が、準備される。各タービンバケットホルダ１６０の本体１６２は、その外側端部上に、相補形ダブテールを支持するタービンバケット１０を受けるダブテールスロット１６５を含む。タービンバケットホルダ１６０のダブテールスロット１６５は、ロータホイール（図示せず）のスロットが軸方向に配向された時に据付けるように軸方向に配向させることができる。ロータの軸線に対して斜めになったダブテールスロットを有するロータホイールの場合には、タービンバケットホルダのスロットは、同様に斜めにして嵌り合うようにすることができる。

各タービンバケットホルダ１６０はさらに、内側端部上に根元１６４を含み、この根元は、移送リングの円周方向スロット１５０の内側部分内で摺動する。本体１６２の内側端部と根元１６４の外側部分との間にステム１６６を取付けることができる。ステム１６６により、ロータホイールに対する本体１６２の半径方向高さ、従ってタービンバケットホルダのダブテールスロットの半径方向高さが設定される。

タービンバケットホルダ１６０はさらに、本体１６２の半径方向位置を調整するのを可能にする高さ調整のための手段を含むことができる。ステム１６６は、中空のスペーサ１６８を含むことができる。スペーサ１６８は、本体１６２及び根元１６４を分離する。ネジ１６９が、ダブテールスロットの底面１７１から本体１６２を貫通し、スペーサ１６８を貫通しかつ根元１６４の上面を貫通してネジ付き孔内に延びることができる。異なる長さを有するスペーサ１６８を設けることにより、移送リング１４０に対する本体１６２の位置を変化させ、従ってロータホイールに対する本体１６２内のダブテールスロット１６５の位置もまた変化させ、それによって様々な半径方向位置にあるロータホイールのダブテールスロットへのタービンバケットの移動を可能にする。ネジ１６９の長さもまた、このケースではスペーサ１６８の長さの変化に合せて変更される。

図７は、タービンバケット１０のダブテール５０を受けるダブテールスロット１６５を備えたバケットホルダ１６０における本体１６２の端面図を示している。図８は、ロータホイール（図示せず）のスロット内への斜め軸方向挿入に合せて本体１９７上での角度αの斜め配向１９６にしたバケットホルダ１９５の上面図を示している。

移送リング１４０の周りで複数のタービンバケットホルダを円周方向に位置決めするための手段１８０が設けられる。タービンバケットホルダのそのような円周方向位置決めにより、各バケットホルダの本体内のダブテールスロットを軸方向挿入式ロータホイールのダブテールスロットと円周方向に整列した状態で配置することが可能になる。移送リング１４０は、前面１４７（図４）上に少なくとも１つの装填開口部１８５を含む。装填開口部１８５は、タービンバケットホルダの根元を移送リング１４０の円周方向スロット１５０内に入れる。着脱可能な閉鎖プレート１９０が、各開口部（図４）に対して設けられる。着脱可能な閉鎖プレート１９０を備えた装填開口部１８５は、移送リング１４０の前面の周りに対称に配置して、該移送リングの全外周部にわたってタービンバケットホルダを取付けるのを可能にするようにすることができる。

タービンバケットホルダが移送リング内に取付けられると、タービンバケットホルダの本体は、移送リングの半径方向外表面上に載った状態になる。タービンバケットホルダ１６０のステム１６６は、移送リング１４０の外側スロット部分１５２内で摺動する。移送リング１４０の内側スロット部分１５４よりも小さいタービンバケットホルダ１６０の根元１６４は、該内側スロット部分１５４内で摺動する。その寸法が外側スロット部分１５３よりも大きい根元１６４は、移送リング１４０の内側スロット１５２に拘束される。

タービンバケットホルダ１６０のダブテールスロット１６５は、ロータホイールに向けてタービンバケット１０を移動させている時にその嵌合を容易にするために、ロータホイール６０のダブテールスロット６５よりも大きい公差を有することができる。

図９は、ロータホイール上に連結式タービンバケットを取付けるための固定治具１００を示している。軸方向ダブテールスロット６５を備えたロータホイール６０には、ロータ７５のパッキン径７０上に据付けたシャフトクランプ１２０が設けられ、移送リング１４０が、シャフトクランプ上に据付けられかつロータホイールの前面６１に当接している。

図１０は、タービンバケット１０を支持するタービンバケットホルダ１６０を部分的に装填した移動リング１４０を備えたロータホイール６０を示している。図１１は、移送リング１４０上への最終タービンバケットホルダ１６１の半径方向挿入を示している。図１２は、移送リング１４０からロータホイール６０の軸方向ダブテールスロット６５へのタービンバケット１６０の移動を示している。

図１３は、本発明の固定治具の実施形態を使用して軸方向挿入式ロータホイールに連結式バケットを装着する方法におけるフローチャートを示している。本発明によると、高い性能をもたらす最新のバケット幾何学的形状を組付ける方法を提供する。本発明の固定治具は、軸方向挿入式ダブテールスロットロータホイール上に連結式バケットを装着するために用いることができる。ステップ９１０は、装着するロータホイールの前方でロータパッキン領域の周りにシャフトクランプの２つの半部セクションを取付けるステップを構成する。ステップ９１５は、装着するロータホイールの前面に対して移送リングの背面を当接させた状態でシャフトクランプに対して移送リングの２つの半部セクションを取付けるステップを含む。ステップ９２０は、タービンバケットホルダのダブテールスロット内にタービンバケットを装填するステップを構成する。下記で説明するように、最終タービンバケットは、異なる方法で据付けられる。少なくとも１つの閉鎖プレートを取外して移送リングの装填開口部へのアクセスを可能にした状態で、ステップ９２５において、１つ又はそれ以上の装填開口部を通して軸方向に移送リングの円周方向スロット内に第１のタービンバケットホルダを装填する。ステップ９３０において、ロータホイールのダブテールスロットと整列するまで、移送リングの円周方向スロットの周りでタービンバケットホルダを摺動させる。最終タービンバケットホルダのためのスペースのみが装填開口部の位置に残るまで、ステップ９３５においてステップ９２５及び９３０を繰り返す。全タービンバケットホルダが移送リングの関連するセクションを充填した時に、装填開口部のための閉鎖プレートを取付けることができる。ステップ９４５において、残余未充填装填空間内に、半径方向内向きに最終未据付けタービンバケットを降下させる。ステップ９５０において、最終残余タービンバケットの下方の装填空間内に軸方向に最終残余タービンバケットホルダを挿入して、タービンバケットのダブテールに係合させる。次に、残余閉鎖プレートを取付けることができる。タービンバケットの各々は、タービンバケットホルダからロータホイールの対応するダブテールスロット内に軸方向に付勢することができる。ステップ９５５において、各タービンバケットは、ロータホイールの関連するダブテールスロット内に少しずつ増加させて軸方向に逐次付勢される。その時、ステップ９６０において、この逐次増加は、全てのタービンバケットがロータホイールのダブテールスロット内に完全に係合するまで繰り返される。固定治具は次に、ステップ９６５において取外すことができる。

固定治具はまた、タービンバケットの取外しを可能にするように使用することができる。分割シャフトリング及び移送リングは、複数のタービンバケットを装着したロータホイールの前方でロータシャフトに取付けられる。タービンバケットホルダは、移送リング上に装填される。各タービンバケットホルダは、ロータホイールのダブテールスロットと円周方向に整列した状態で配置される。タービンバケットは、ロータホイールのダブテールスロットからタービンバケットホルダの対応するダブテールスロット内に軸方向に付勢される。バケットホルダは次に、移送リングから取外すことができる。

本明細書では様々な実施形態について説明しているが、それらの様々な要素の組合せ、変更又は改良を行うことができかつそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から解るであろう。

１０ タービンバケット
２０ ベーン
３０ 先端シュラウド
４０ プラットフォーム
４５ 根元
５０ ダブテール
６０ ロータホイール
６５ ロータホイールのダブテールスロット
７０ パッキン径
７５ ロータ
１００ 固定治具
１２０ シャフトクランプ
１２１ 上半部セクション
１２２ 下半部セクション
１２３ ボルト止め装置
１２４ 陥凹部
１２５ 前面
１２６ 合せ継手
１２７ 貫通孔
１２８ 背面
１２９ 外径
１３０ 外径
１４０ 移送リング
１４１ 上半部
１４２ 下半部
１４３ タップ孔
１４４ 前面
１４６ 背面
１４７ 前面
１５０ 円周方向スロット
１５２ 外側スロット
１５４ 内側スロット
１６０ タービンバケットホルダ
１６１ 最終タービンバケットホルダ
１６２ 本体
１６４ 根元
１６５ ダブテールスロット
１６６ ステム
１６７ 高さ調整手段
１６８ スペーサ
１６９ ネジ
１７１ ダブテールスロットの底面
１７３ 根元の上面
１７４ ネジ付き孔
１８０ 位置決め手段
１８５ 装填開口部
１９０ 閉鎖プレート
１９５ 斜めバケットホルダ
１９６ 配向角度
１９７ 本体

Claims (10)

1. ダブテール（５０）を有する複数のタービンバケット（１０）をターボ機械の軸方向挿入式ロータホイール（６０）に取付ける固定治具（１００）であって、当該固定治具（１００）が、
   前記タービンバケット（１０）を装着する前記軸方向挿入式ロータホイール（６０）の前方でパッキン径（７０）の周りに円周方向に取付けられ、該ロータホイール（６０）の前面に当接しかつ円周方向スロット（１５０）を備えた移送リング（１４０）と、
   その各々が相補形ダブテール（５０）を有するタービンバケット（１０）を受けるダブテールスロット（１６５）を備えかつ前記移送リング（１４０）の円周方向スロット（１５０）内で摺動する根元（１６４）をさらに備えた複数のタービンバケットホルダ（１６０）と
   を備えており、
   前記複数のタービンバケットホルダが、前記軸方向挿入式ロータホイール（６０）の複数のダブテールスロット（６５）の１つと整列した状態で前記移送リング（１４０）の周りに円周方向に位置決めされる、固定治具（１００）。
2. 前記タービンバケットホルダ（１６０）のスロット（１６５）が、前記ロータホイール（６０）上の前記連結式タービンバケット（１０）の根元（５０）と相補形であるように構成される、請求項１記載の固定治具（１００）。
3. 前記移送リング（１４０）内に据付けた時に、前記複数のタービンバケットホルダ（１６０）のダブテールスロット（１６５）が、前記ロータホイール（６０）のスロット（６５）に対して軸方向に整列する、請求項１記載の固定治具（１００）。
4. 前記移送リング（１４０）内に据付けた時に、前記複数のタービンバケットホルダ（１９５）のダブテールスロットが、前記ロータホイール（６０）のスロット（６５）内への挿入に合せて斜め（１９６）に整列する、請求項１記載の固定治具（１００）。
5. 前記ターボ機械が、蒸気タービン及びガスタービンの１つである、請求項１記載の固定治具（１００）。
6. 前記タービンバケット（１０）を装着する前記軸方向挿入式ロータホイール（６０）の前方で前記パッキン径（７０）上に取付けられるシャフトクランプ（１２０）をさらに含み、前記シャフトクランプ（１２０）が、前記パッキン径の周りに互いにボルト止めされた上半部リングセクション（１２１）及び下半部リングセクション（１２２）を含む、請求項１記載の固定治具（１００）。
7. 前記移送リング（１４０）が、前記シャフトクランプ（１２０）の周りにボルト止めされた２つの半部リング（１４１、１４２）をさらに含む、請求項６記載の固定治具（１００）。
8. 前記移送リング（１４０）の半径方向外表面上に配置された前記バケットホルダ（１６０）の本体（１６２）と、
   前記バケットホルダ（１６０）の根元（１６４）と、
   前記本体（１６２）及び根元（１６４）間に取付けられた前記バケットホルダ（１６０）のステム（１６６）と、
   前記バケットホルダ（１６０）のステム（１６６）の移動を可能にする円周方向スロット（１５０）の外側部分（１５２）と、
   前記根元（１６４）の移動を可能にしかつ該根元（１６４）を拘束する前記円周方向スロット（１５０）の内側部分（１５４）と
   をさらに含む、請求項１記載の固定治具（１００）。
9. 前記タービンバケットホルダ（１６０）が、前記ロータホイール（６０）上のタービンバケット（１０）における前記ダブテールスロット（６５）に対して該タービンバケットホルダ（１６０）のダブテールスロット（１６５）を整列させる半径方向高さ調整装置（１６９）を含む、請求項８記載の固定治具（１００）。
10. 前記タービンバケットホルダ（１６０）が、嵌合を容易にするために前記ロータホイール（６０）のダブテールスロット（１０）よりも大きい公差を有するダブテールスロット（１６５）を含む、請求項９記載の固定治具（１００）。

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