JP2012021526A - タービン回転ブレード及びロータホイール用のダブテールコネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン機械におけるタービン回転ブレード及びロータホイール用のダブテールの応力集中及び応力腐食割れを低減すること。
【解決手段】ターボ機械においてブレード１２０とロータホイール１１８とを接続するための、接線方向挿入式、直線軸方向挿入式、又は曲面状軸方向挿入式のダブテールのような旋回ダブテール接続が開示される。ダブテール接触面１４５の修正形状は、ブレードとロータホイールとの間に旋回ダブテール接続をもたらし、ブレードとホイールとの間の構造的接続を維持しながらホイールに対してブレードの限定的な運動を可能にする。旋回ダブテール接続は、接触面が共通の実質的にトロイダル円弧、軸方向に延びる実質的に円筒形円弧、又は実質的に円錐台円弧に沿って位置するように、ロータホイールとブレードとの間に凹面状又は凸面状のダブテール接触面を提供することにより達成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、全体的に、タービン機械に関し、より詳細には、タービン回転ブレードをタービンロータホイールに取り付けるための旋回ダブテール組立体に関する。

一般に、低圧タービンの後段におけるタービン回転ブレード及び蒸気タービンロータホイールは通常、より長く且つ重量のある後段ブレードの回転により加わる大きな遠心荷重に起因して運転中に高応力を受ける。詳細には、ブレードに応力を加えるロータホイールの高回転速度に起因して、大きな遠心荷重がブレードに加わる。これらの荷重は、ブレードをロータホイールに取り付ける接続ダブテールにおいて高い平均応力及び局所応力を誘起する。これらの応力は、蒸気タービンの蒸気流路からの湿分と共に、応力腐食割れを引き起こす。高い平均応力及び局所応力集中は共に、タービンロータホイール及びブレードダブテールの疲労寿命の低下及び応力腐食をもたらす可能性がある。より長いブレードへの需要が特に高まっていることに起因して、大きな遠心荷重下でのダブテールの応力集中及び応力腐食割れの低減は蒸気タービン製造業者にとって設計上の課題である。

ターボ機械においてブレードとロータホイールとを接続するための、接線方向挿入式、直線軸方向挿入式、又は曲面状軸方向挿入式のダブテールのような旋回ダブテール接続が開示される。ダブテール接触面の修正形状は、ブレードとロータホイールとの間に旋回ダブテール接続をもたらし、ブレードとホイールとの間の構造的接続を維持しながらホイールに対してブレードの限定的な運動を可能にする。この限定的な動きは、ロータブレードの振動の何らかの固有モードを抑制し、従って、ブレード性能を向上させることになる。旋回ダブテール接続は、接触面が共通の実質的にトロイダル円弧、軸方向に延びる実質的に円筒形円弧、又は実質的に円錐台円弧に沿って位置するように、ロータホイールとブレードとの間に凹面状又は凸面状のダブテール接触面を提供することにより達成される。

本発明の第１の態様は、ターボ機械においてブレードとロータホイールとを接続するための接線方向挿入式ダブテール組立体を提供し、該組立体が、ダブテール及びダブテールスロットのうちの一方を含むロータホイールと、ダブテール及びダブテールスロットのうちの他方を含むブレードと、を備え、ダブテールは、ブレードをロータホイールに固定するため、接線方向でダブテールスロット内に挿入されてダブテールスロットに嵌合可能に係合するよう構成され、該ダブテールが嵌合可能に係合されたときにダブテールスロットに接触するダブテール接触面のペアを含み、ダブテールスロットが嵌合可能に係合されたときにダブテール接触面に接触する対応するダブテールスロット接触面のペアを含み、ダブテール接触面のペア及びダブテールスロット接触面のペアが共通の実質的にトロイダル円弧の一部に沿って位置する。

本発明の第２の態様は、ターボ機械においてブレードとロータホイールとを接続するための直線軸方向挿入式ダブテール組立体を提供し、該組立体が、ダブテール及びダブテールスロットのうちの一方を含むロータホイールと、ダブテール及びダブテールスロットのうちの他方を含むブレードと、を備え、ダブテールは、ブレードをロータホイールに固定するため、軸方向で挿入されてダブテールスロットに嵌合可能に係合するよう構成され、該ダブテールが嵌合可能に係合されたときにダブテールスロットに接触するダブテール接触面のペアを含み、ダブテールスロットが嵌合可能に係合されたときにダブテール接触面に接触する対応するダブテールスロット接触面のペアを含み、ダブテール接触面のペア及びダブテールスロット接触面のペアが共通の軸方向に延びる実質的に円筒形の円弧の一部に沿って位置する。

本発明の第３の態様は、ターボ機械においてブレードとロータホイールとを接続するための曲面状軸方向挿入式ダブテール組立体を提供し、該組立体が、ダブテール及びダブテールスロットのうちの一方を含むロータホイールと、ダブテール及びダブテールスロットのうちの他方を含むブレードと、を備え、ダブテールは、ブレードをロータホイールに固定するため、曲面状軸方向で挿入されてダブテールスロットに嵌合可能に係合するよう構成され、該ダブテールが嵌合可能に係合されたときにダブテールスロットに接触する少なくとも１つのダブテール接触面を含み、ダブテールスロットが嵌合可能に係合されたときに少なくとも１つのダブテール接触面に接触する対応する少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含み、少なくとも１つのダブテール接触面及び少なくとも１つのダブテールスロット接触面が共通の実質的に円錐台の円弧の一部に沿って位置する。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

蒸気タービン部分切欠き斜視図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の修正接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の修正接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 図４及び５に示す修正接線方向挿入式ダブテール接続の断面図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図。 図９及び１０に示す修正接線方向挿入式ダブテール接続の断面図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の直線軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 当該技術分野で公知の蒸気タービン回転ブレードとホイールとの間の直線軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正直線軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正直線軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正曲面状軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正曲面状軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。 本発明の一実施形態による、修正曲面状軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図。

本発明の少なくとも一実施形態について、蒸気タービンの形態のターボ機械に関連した応用及びその作動を参照しながら以下で説明される。更に、本発明の少なくとも一実施形態は、公称サイズを参照し且つ公称寸法のセットを含めて以下で説明される。しかしながら、本発明の実施形態が、ガスタービンなどのあらゆる好適なタービン及び／又はエンジンにも同様に適用可能であることは、当技術分野に精通し且つ本明細書における教示により示される当業者には明らかな筈である。更に、当技術分野に精通し且つ本明細書における教示により示される当業者には、本発明の実施形態が様々なスケールの公称サイズ及び／又は公称寸法に同様に適用可能であることを理解されたい。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の部分切欠き斜視図を示している。蒸気タービン１０は、シャフト１４及び複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８を備えたロータ１２を含む。複数の回転ブレード２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。より具体的には、ブレード２０は、各ロータホイール１８の円周方向周りで延びる列の形で配列される。複数の固定ベーン２２が、シャフト１４の円周方向周りで延び且つブレード２０の隣接する列の間に軸方向に位置付けられる。固定ベーン２２は、ブレード２０と協働してタービン段を形成し、タービン１０を通る蒸気流路の一部分を定める。

作動中、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入し、固定タービン２２を通って送られる。ベーン２２は、下流方向にブレード２０に対して蒸気２４を配向する。蒸気２４は、残りの段を通って流れ、ブレード２０に力を加えシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端部は、ロータ１２から離れるように軸方向に延びることができ、限定ではないが、発電機及び／又は他のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取り付けることができる。従って、大型の蒸気タービンユニットは、実際には、同一のシャフト１４に同軸に全て結合された幾つかのタービンを含むことができる。このようなユニットは、例えば、中圧タービンに結合された高圧タービンを含むことができ、該中圧タービンは低圧タービンに結合される。

図１に示す本発明の一実施形態では、タービン１０は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４として示す５つの段を含む。段Ｌ４は第１段であり、５つの段のうちで最小のもの（半径方向において）である。段Ｌ３は第２段であり、軸方向における次の段である。段Ｌ２は第３段であり、５つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段Ｌ１は、第４段であり、最後から２番目の段である。段Ｌ０は最終段であり、最大のもの（半径方向において）である。これら５つの段は、単に１つの実施例として示しており、低圧タービンは、５つよりも多いか又は少ない段を有することができる点を理解されたい。

蒸気タービン１０（図１）においてホイール１８及びブレード２０を接続する第１の既存の設計が図２及び３に示される。この第１の設計は、ブレード２０が実質的に接線方向で接続部に挿入され、換言すると、ブレード２０がホイール１８の外周に沿ってホイール１８上を滑動するので、接線方向挿入式ダブテール接続と呼ばれる。図２及び３は、回転ブレード２０とホイール１８との間のこの接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図を示す。各ブレード２０は、ダブテールスロット４０、翼形部部分４２、及びこれらの間を延びる根元セクション４４で形成される。翼形部部分４２は、根元セクション４４から先端セクション４６に半径方向外向きに延びる。１つの公知の実施形態において、ダブテールスロット４０、翼形部部分４２、根元セクション４４、及び先端セクション４６は全て、耐食性材料（例えば、ＧＴＤ−４５０）又は優れた耐食性を有する高強度チタン合金材料（例えば、Ｔｉ−６２２２２）から単体構成部品として作製される。ブレード２０は、ダブテールスロット４０を介してタービンロータホイール１８に結合されて、ロータホイール１８から半径方向外向きに延びる。ホイール１８は、各ブレード２０のダブテールスロット４０と嵌合可能に係合された対応するダブテール突出部５０を含む。ダブテールスロット４０及びダブテール突出部５０は、ホイール１８をブレード２０に固定する接線方向挿入式ダブテール接続を提供する。

ダブテール突出部５０及びダブテールスロット４０は各々、少なくとも１つの接触面４５を含み、すなわち、ダブテール突出部５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、且つダブテールスロット４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面４５は、ダブテールスロット４０及びダブテール突出部５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。図２及び３で例示されるように、ダブテールスロット４０及びダブテール突出部５０の既存の幾何形状は、実質的に円筒形の接触面４５を含む。換言すると、互いに接触するダブテール突出部５０の表面及びダブテールスロット４０の表面は、各々実質的に円筒形で、すなわち外側表面１９と同心であり、従って、接触面４５は実質的に円筒形であり、すなわちホイール１８の外側表面１９と同心である。透明面４７が接触面４５の形状を例示するために図３に示されている。図３で分かるように、接触面４５は凹面状又は凸面状ではないので、接触面４５は長手方向に円筒形であり、すなわち、円筒形接触面４５の軸線は、タービン１０（図１）の回転軸と位置することになる。

図４及び５を参照すると、本発明の第１の実施形態による、回転ブレード１２０とロータホイール１１８との間の接線方向挿入式ダブテール接続の斜視図が示される。図２及び３に示すブレード２０及びホイール１８と同様に、各ブレード１２０は、ダブテールスロット１４０、翼形部部分１４２、及びこれらの間を延びる根元セクション１４４を有して形成される。ブレード１２０は、ダブテールスロット１４０を介してタービンロータホイール１１８に結合され、ロータホイール１１８から半径方向外向きに延びる。ホイール１１８は、ブレード１２０をロータホイール１１８に固定するため各ブレード１２０のダブテールスロット１４０と嵌合可能に係合した対応するダブテール突出部１５０を含む。ダブテール突出部１５０及びダブテールスロット１４０は各々、少なくとも１つの接触面１４５を含み、すなわち、ダブテール突出部１５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、且つダブテールスロット１４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面１４５は、ダブテールスロット１４０及びダブテール突出部１５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。ダブテールスロット１４０及びダブテール突出部１５０は、ホイール１１８をブレード１２０に固定する接線方向挿入式ダブテール接続を提供する。

図４及び５に示すように、本発明の第１の実施形態によれば、ホイール１１８及びブレード１２０の幾何形状、及び具体的にはダブテールスロット１４０及びダブテール突出部１５０の幾何形状は、ブレード１２０とホイール１１８との間の変更された接触面１４５を生成するよう既存の設計から修正される。これらの変更接触面はまた、ホイール１１８とブレード１２０との間のダブテール接続の断面図を示した図６に示されている。図６に示すように、接触面１４５の角度は、接触面１４５が部分的にトロイダル状であり、各々がタービン１０のロータ軸線と一致する第１のトーラス軸Ａ１と、ダブテール１５０の上方のダブテール対称平面上に位置する第２のトーラス軸Ａ２（図６のＡ２を参照、ここで軸線Ａ２は図の平面に対して垂直であり、すなわちページの内外に延びる）とを有するように修正される。換言すると、互いに接触するダブテール突出部１５０及びダブテールスロット１４０の表面は各々、ホイール１１８の外側表面１１９に対して平面又は平坦ではなく凹面状又は凸面状の何れかで曲面状になるように変更されている。例えば、第１の接触面１４５が凸面状であった場合、第１の接触面１４５に接触した第２の接触面１４５は、凹面状となる。従って、接触面１４５は、共通の実質的にトロイダル円弧の一部に沿って位置する表面の少なくとも１つの凹面状／凸面状ペアを含む。ダブテール突出部１５０の接触面１４５は凹面状とすることができ、ダブテールスロット１４０の接触面１４５は凸面状（図５に示すように）とすることができ、或いはその逆であってもよい。ブレード１２０は各々、ホイール１１８に対して「旋回」すなわち軸方向の限定的な移動を行うことが許容されるので、接触面１４５のこの凹面状／凸面状ペアは、ホイール１１８とブレード１２０との間の旋回接続をもたらす。

接触面１４５の凹面状／凸面状の特性により、部分的にトロイダルの接触面１４５が得られる。図５は、透明面１４７としての接触面１４５の部分的トロイダル特性を示している。既存の接線方向挿入式ダブテール接続の図２及び３に示す面４７と面１４７を比較すると、図４から６に示す修正接線方向挿入式ダブテール接続は、ホイール１１８とブレード１２０との間に円筒形ではなく実質的にトロイダル状の接触面１４５を提供している。

トロイダル状の接触面１４５をもたらすホイール１１８及びブレード１２０の修正幾何形状により生成される、図４〜６に示す旋回接続の実施形態の一部の実施に際して実現できる利点は、ホイール１１８に対して軸方向のブレード１２０の幾らかの限定的な運動が可能になることである。この旋回接続により許容される限定的な運動は、図６の矢印Ｓで示され、バケットの動的な自己調整及び自己平衡を可能にし、すなわちブレード１２０の振動の幾らかの軸方向固有モードを抑制する。このタービン段の動的特性の調整により、最適なタービンブレード設計を得ることができる。

図４から６は、３つのフック設計、すなわち、ホイール１１８とブレード１２０との間に６つの接触面１４５を生成する、３つのネック部及び３つのショルダ部を備えたダブテールスロット１４０及びダブテール突出部１５０を示しているが、３つよりも多いか又は少ないフックを用いた設計を使用してもよい点は理解される。また、異なる形状のダブテール突出部及びダブテールスロットを用いることができる（例えば、本明細書で検討され、図７及び８に示されるＴ形設計）点は理解される。

また、ホイール１１８はダブテール突出部１５０を有するように示され、ブレード１２０はダブテールスロット１４０を備えて示されているが、反対の構成も本明細書では開示される点は理解される。換言すると、各ブレード１２０は、雄ダブテール突出部１５０を含むことができ、ホイール１１８は、雌ダブテールスロット１４０を有して、ブレード１２０のダブテール突出部１５０と嵌合可能に係合することができる。雄ダブテールを有するブレードと、雌ダブテールスロットを有するホイールとを備えたこの種の構成が図９〜１１に示される（但し、ダブテールの形状は異なる）。

蒸気タービン１０（図１）においてホイール２１８及びブレード２２０を接続する既存の代替設計が図７及び８に示される。この既存の代替設計は、接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続と呼ばれる。この設計は、接線方向挿入式ダブテール接続と類似しているが、異なる形状のダブテールを含む。図７及び８は、回転ブレード２２０とホイール２１８との間のこの接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図を示す。ブレード２２０は、ほぼＴ形の雄ダブテール突出部２５０を有し、該雄ダブテール突出部２５０は、ホイール２１８においてほぼＴ形の雌ダブテールスロット２４０と嵌合可能に係合するよう構成される。ダブテール突出部２５０及びダブテールスロット２４０は各々、少なくとも１つの接触面２３５を含み、すなわち、ダブテール突出部２５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、ダブテールスロット２４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面２４５は、ダブテールスロット２４０及びダブテール突出部２５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。図７及び８に示すように、接触面２４５は、実質的に円筒形であり凹面状又は凸面状ではなく、従って、図８において透明面２４７により示されるように長手方向に円筒形である。換言すると、円筒形接触面２４５の軸線は、タービン１０（図１）のロータ軸線と一致することになり、ホイール２１８の外側表面２１９と同心である。

図９及び１０を参照すると、本発明の第２の実施形態による、回転ブレード３２０とロータホイール３１８との間の接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続の斜視図が示される。図７及び８に示すブレード２２０及びホイール２１８と同様に、ブレード３２０は、ダブテール突出部３５０を介してタービンロータホイール３１８に結合され、ほぼＴ形でロータホイール３１８から半径方向外向きに延びる。ホイール３１８は、ほぼＴ形の対応するダブテールスロット３４０を含み、該ダブテールスロット３４０は、ブレード３２０をロータホイール３１８に固定するため各ブレード３２０のダブテール突出部３５０と嵌合可能に係合する。ダブテール突出部３５０及びダブテールスロット３４０は各々、少なくとも１つの接触面３４５を含み、すなわち、ダブテール突出部３５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、ダブテールスロット３４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面３４５は、ダブテールスロット３４０及びダブテール突出部３５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。ダブテールスロット３４０及びダブテール突出部３５０は、ホイール３１８をブレード３２０に固定するための接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続を提供する。

図９及び１０に示すように、本発明の第２の実施形態によれば、ホイール３１８及びブレード３２０の幾何形状、及び具体的にはダブテールスロット３４０及びダブテール突出部３５０の幾何形状は、ブレード３２０とホイール３１８との間の変更された接触面３４５を生成するよう既存の設計から修正される。これらの変更接触面はまた、ホイール３１８とブレード３２０との間のダブテール接続の断面図を示した図１１に示されている。図１１に示すように、接触面３４５の角度は、接触面３４５が部分的にトロイダル状であり、各々がタービン１０のロータ軸線と一致する第１のトーラス軸Ａ１と、ダブテール３５０の上方のダブテール対称平面上に位置する第２のトーラス軸Ａ２（図１１のＡ２を参照、ここで軸線Ａ２は図の平面に対して垂直であり、すなわちページの内外に延びる）とを有するように修正される。換言すると、互いに接触するダブテール突出部３５０及びダブテールスロット３４０の表面は各々、ホイール３１８の外側表面３１９に対して平坦ではなく凹面状又は凸面状の何れかで曲面状になるように変更されている。例えば、第１の接触面３４５が凸面状であった場合、第１の接触面３４５に接触した第２の接触面３４５は凹面状となる。従って、接触面３４５は、共通の実質的にトロイダル円弧の一部に沿って位置する表面の少なくとも１つの凹面状／凸面状ペアを含む。ダブテール突出部３５０の接触面３４５は凹面状とすることができ、ダブテールスロット３４０の接触面３４５は凸面状（図１０に示すように）とすることができ、或いはその逆であってもよい。ブレード３２０は各々、ホイール３１８に対して「旋回」すなわち軸方向の限定的な移動を行うことが許容されるので、接触面３４５のこの凹面状／凸面状ペアは、ホイール３１８とブレード３２０との間の旋回接続をもたらす。

図１０は、透明面３４７としての接触面３４５の部分的トロイダル特性を示している。既存の接線方向挿入式ダブテール接続の図８に示す面２４７と面３４７を比較すると、図９から１１に示す修正接線方向挿入式Ｔ形ダブテール接続は、ホイール３１８とブレード３２０との間に部分的にトロイダル状の接触面３４５を提供している。

部分的にトロイダル状の接触面３４５をもたらすホイール３１８及びブレード３２０の修正幾何形状により生成される、図９〜１１に示す旋回接続の実施形態の一部の実施に際して実現できる利点は、ホイール３１８に対して軸方向のブレード３２０の幾らかの限定的な運動が可能になることである。この旋回接続により許容される限定的な運動は、図１１の矢印Ｓで示され、バケットの動的な自己調整及び自己平衡を可能にし、すなわちブレード３２０の振動の幾らかの軸方向固有モードを抑制する。このタービン段の動的特性の調整により、最適なタービンブレード設計を得ることができる。

図９〜１１は、雄ダブテール突出部３２８を有するブレード３２０と、雌ダブテールスロット３４０を備えたホイール３１８とを示しているが、反対の構成も本明細書では開示される点は理解される。換言すると、各ブレード３２０は、雄ダブテールスロット３４０を含むことができ、ホイール３１８は、雄ダブテール突出部３５０を有して、ブレード３２０のダブテールスロット３４０と嵌合可能に係合することができる。

蒸気タービン１０（図１）においてホイール４１８及びブレード４２０を接続する既存の別の代替設計が図１２及び１３に示される。この代替設計は、ブレード４２０が軸方向で接続部に挿入され、換言すると、ブレード４２０がホイール４１８に対して実質的に垂直な方向（例えば、垂直方向からおよそ±１５度の範囲内）でホイール４１８上を滑動するので、直線軸方向挿入式ダブテール接続と呼ばれる。本明細書で検討した他のダブテール接続と同様に、直線軸方向挿入式ダブテール接続は、ダブテールを用いることによりロータホイール４１８に接続される回転ブレード４２０を含む。図１２及び１３は、回転ブレード４２０とホイール４１８との間の直線軸方向ダブテール接続の斜視図を示す。各ブレード４２０は、ホイール４１８において対応する雌ダブテールスロット４４０と嵌合可能に係合する雄ダブテール突出部４５０と共に形成される。図１２に示すように、ロータホイール４１８は、複数の円周方向に間隔を置いて配置され（軸方向に整列された）ダブテールスロット４４０を含む。詳細には、ホイールダブテールスロット４４０は、ロータホイール４１８の半径方向外周の周りで円周方向に間隔を置いて配置され、ブレードダブテール突出部４５０を受けるような形状及びサイズにされる。

ダブテール突出部４５０及びダブテールスロット４４０は各々、少なくとも１つの接触面４４５を含み、すなわちダブテール突出部４５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、且つダブテールスロット４４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面４４５は、ダブテールスロット４４０及びダブテール突出部４５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。図１２及び１３で示されるように、接触面４４５は、透明面４４７により例示されるように、ホイール４１８の外側表面４１９に対して平坦又は平面であり曲面状ではない。

図１４及び１５を参照すると、本発明の第３の実施形態による、回転ブレード５２０とロータホイール５１８との間の直線軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図が示される。図１２及び１３に示すブレード４２０及びホイール４１８と同様に、ブレード５２０は、ダブテール突出部５５０を介してタービンロータホイール５１８に結合され、ロータホイール５１８から半径方向外向きに延びる。ホイール５１８は、円周方向に整列した対応する複数のダブテールスロット５４０を含み、該ダブテールスロット５４０は、各ブレード５２０のダブテール突出部５５０と嵌合可能に係合する。ダブテール突出部５５０及びダブテールスロット５４０は各々、少なくとも１つの接触面５４５を含み、すなわち、ダブテール突出部５５０が少なくとも１つのダブテール突出接触面を含み、ダブテールスロット５４０が少なくとも１つのダブテールスロット接触面を含む。接触面５４５は、ダブテールスロット５４０及びダブテール突出部５５０が嵌合可能に係合されたときにこれらの互いに接触する表面を指す。ダブテールスロット５４０及びダブテール突出部５５０は、ホイール５１８をブレード５２０に固定するための接線方向挿入式ダブテール接続を提供する。

図１４及び１５に示すように、本発明の第３の実施形態によれば、ホイール５１８及びブレード５２０の幾何形状、及び具体的にはダブテールスロット５４０及びダブテール突出部５５０の幾何形状は、ブレード３２０とホイール３１８との間の変更された接触面
５４５を生成するよう既存の設計とは異なることができる。図１５は、ホイール５１８とブレード５２０との間の直線軸方向挿入式ダブテール接続の断面図を示す。図１５に示すように、接触面５４５の角度は、接触面５４５が、ダブテール接続の下方に位置付けられてダブテールスロット５４０に沿って配向された軸線Ａ２の周りで軸方向に延びて且つ実質的に円筒形であるように修正される。換言すると、互いに接触するダブテール突出部５５０及びダブテールスロット５４０の表面は各々、ホイール５１８の外側表面５１９に対して平坦ではなく凹面状又は凸面状の何れかであるように変更されている。例えば、第１の接触面５４５が凸面状であった場合、第１の接触面５４５に接触した第２の接触面５４５は、凹面状となる。従って、接触面５４５は、共通の実質的に軸方向に円筒形円弧（例えば、図１５に示すような半径Ｒ１、Ｒ２、又はＲ３を有する円筒形円弧）の一部に沿って位置する表面の少なくとも１つの曲面状の、すなわち凹面状／凸面状のペアを含む。

ダブテール突出部５５０の接触面５４５は、外側表面５１９に対して凸面状とすることができ、ダブテールスロット５４０の接触面５４５は、凹面状（図１５に示すように）とすることができ、或いはその逆であってもよい。ブレード５２０は各々、ホイール５１８に対して「旋回」すなわち軸方向の限定的な移動を行うことが許容されるので、接触面５４５のこの凹面状／凸面状ペアは、ホイール５１８とブレード５２０との間の旋回接続をもたらす。

図１４は、透明面５４７としての接触面５４５の部分的軸方向円筒形特性を示している。既存の直線軸方向挿入式ダブテール接続の図１３に示す面４４７と面５４７を比較すると、図１４から１５に示す修正直線軸方向挿入式ダブテール接続は、ホイール５１８とブレード５２０との間に円筒形の平坦でない接触面５４５を提供している。

部分的に円筒形接触面５４５をもたらすホイール５１８及びブレード５２０の修正幾何形状により生成される、図１４〜１５に示す旋回接続の実施形態の一部の実施に際して実現できる利点は、ホイール５１８に対して軸方向のブレード５２０の幾らかの限定的な運動が可能になることである。この旋回接続により許容される限定的な運動は、図１５の矢印Ｓで示され、バケットの動的な自己調整及び自己平衡を可能にし、すなわちブレード５２０の振動の幾らかの軸方向固有モードを抑制する。このタービン段の動的特性の調整により、最適なタービンブレード設計を得ることができる。

図１４及び１５は、雄ダブテール突出部５５０を有するブレード５２０を示し、ホイール５１８が雌ダブテールスロット５４０を備えて示されているが、反対の構成も本明細書で開示される点は理解される。換言すると、各ブレード５２０は、雌ダブテールスロット５４０を含むことができ、ホイール５１８は、雄ダブテール突出部５５０を有して、ブレード５２０のダブテールスロット５４０と嵌合可能に係合することができる。加えて、図１４及び１５に示す直線軸方向挿入式ダブテール接続は、タービンロータホイール５１８と係合するよう構成された８つの接触面を有する４フック設計を含むが、この直線軸方向挿入式ダブテールは、４つよりも多い又は少ないフックを有することができ、或いは、異なる形状のダブテール突出部／ダブテールスロットを有することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。

図１６及び１７を参照すると、本発明の第４の実施形態による、回転ブレード６２０とロータホイール６１８との間の代替の軸方向挿入式ダブテール接続の斜視図が示される。ホイール６１８及びブレード６２０は、図１４及び１５に示す実施形態と類似しているが、本実施形態は、図１６で最もよく示されるように、ブレード６２０が曲面上でホイール６１８に軸方向に挿入されるので、曲面軸方向挿入式ダブテールと呼ばれる。換言すると、ホイール６１８のダブテールスロット６４０は、軸方向に曲面状の表面を有し、すなわち、ダブテールスロット６４０は、中間ではなく末端部にてホイール６１８内により深く突出し、ブレード６２０は、対応する軸方向曲面状のダブテール突出部６５０を有し、すなわち、ダブテール突出部６５０は、中間ではなく末端部でより長くなっており、ダブテールスロット６４０の曲面幾何形状に対応するようにする。本明細書で検討した他の実施形態と同様に、ダブテール突出部６５０は各々、嵌合可能に係合されたときに対応するダブテールスロット６４０と接触する少なくとも１つのダブテール接触面６４５を含む。加えて、ダブテールスロット６４０は各々、嵌合可能に係合されたときにダブテール接触面６４５に接触する少なくとも１つの対応するダブテール接触面６４５を含む。

図１６〜１８で示すように、ホイール６１８とブレード６２０との間の接触面６４５は、円錐台であるように変更されており、すなわち、接触面６４５及び対応するダブテールスロット接触面６４５は、共通の実質的に円錐台円弧の一部に沿って位置する。図１８に示すように、ダブテール組立体の一方側の接触面６４５は、共通の実質的に円錐台円弧の一部に沿って位置することができ、ダブテール組立体の他方側の接触面６４５は、対向する実質的に円錐台円弧の一部に沿って位置することができる。このようにして、ダブテール組立体の両側の接触面６４５のペアは、対向する実質的に円錐台円弧の一部に沿って位置する。

円錐台接触面６４５の軸線は、図１８に示すように、バケット軸線ＢＡ上の点を通るダブテール対称面に垂直なダブテール突出部６５０よりも下方に位置する。接触面６４５の円錐台特性は、透明面６４７により図１８において最もよく示される。図１８に示すように、ダブテール突出部６５０は、該ダブテール突出部６５０の下方に位置付けられるコーン軸線ＣＡの周りのダブテールの断面を回転させることにより生成される。断面を回転させることにより、円錐台形状を有する接触面６４５が生成され、これにより矢印Ｓで示されるように、コーン軸線ＣＡの周りでホイール６１８に対してブレード６２０の限定的な軸方向回転が可能になる。対照的に、図１２及び１３で示すものなどの従来技術のダブテール突出部４５０は、直線方向に沿って断面を押し出すことにより生成される。この押し出し（図１６〜１８に示す本発明の実施形態を提供するよう行われた回転とは対照的に）は、平坦な接触面４４５を生成し、ホイール４１８に対してブレード４２０の軸方向回転を可能にしない。

更に、ダブテール組立体の例示的な実施形態は、蒸気タービンのダブテール組立体を参照しながら説明してきたが、本発明は、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されず、むしろ、他の用途内で独立して別個に利用することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。例えば、本明細書で説明されるダブテール組立体はまた、他の工業プラント又は構成要素設計及び／又は監視システム及び方法と組み合わせて作製及び／又は使用することができ、一般的には発電プラント、或いは本明細書で説明されたように具体的には蒸気タービンエンジンでの実施にのみ限定されない。むしろ、本発明の態様は、他の構成要素又はプラント設計及び／又はシステムと関連して実施及び利用することができる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含めて、本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１４ シャフト
１８，１１８，２１８，３１８，４１８，５１８，６１８ ロータホイール
２０，１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０ 回転ブレード
２２ 固定ベーン
２４ 蒸気
２６ 入口
Ｌ４ 第１の段
Ｌ３ 第２の段
Ｌ２ 第３の段
Ｌ１ 第４の段
Ｌ０ 最終段
４２，１４２ 翼形部部分
４４，１４４ 根元セクション
４５，１４５，２４５，３４５，４４５，５４５，６４５ 接触面
４６ 先端セクション
５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０ ダブテール突出部
４７，２４７，３４７，４４７，５４７ 透明面
Ａ１ 第１のトーラス軸
Ａ２ 第２のトーラス軸
２１９，４１９ 外側表面
２４０，３４０，４４０，５４０，６４０ ダブテールスロット
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 半径

Claims (10)

1. ターボ機械においてブレード（１２０、３２０）とロータホイール（１１８、３１８）とを接続するための接線方向挿入式ダブテール（１５０、３５０）組立体であって、当該組立体が、
   ダブテール（１５０、３５０）及びダブテールスロット（１４０、３４０）のうちの一方を含むロータホイール（１１８、３１８）と、
   前記ダブテール（１５０、３５０）及び前記ダブテールスロット（１４０、３４０）のうちの他方を含むブレード（１２０、３２０）と
   を備えており、前記ダブテール（１５０、３５０）が、前記ブレード（１２０、３２０）を前記ロータホイール（１１８、３１８）に固定するため、接線方向で前記ダブテールスロット（１４０、３４０）内に挿入されて前記ダブテールスロット（１４０、３４０）に嵌合可能に係合するよう構成され、前記ダブテール（１５０、３５０）が、嵌合可能に係合されたときに前記ダブテールスロット（１４０、３４０）に接触するダブテール接触面のペア（１４５、３４５）を含み、前記ダブテールスロット（１４０、３４０）が、嵌合可能に係合されたときに前記ダブテール接触面（１４５、３４５）に接触する対応するダブテールスロット接触面のペア（１４５、３４５）を含み、前記ダブテール接触面のペア（１４５、３４５）及び前記ダブテールスロット接触面のペア（１４５、３４５）が、共通の実質的にトロイダル円弧の一部に沿って位置する、接線方向挿入式ダブテール（１５０、３５０）組立体。
2. 前記ダブテール接触面のペア（１４５、３４５）及び前記対応するダブテールスロット接触面のペア（１４５、３４５）が、前記ホイール（１１８、３１８）に対して前記ブレード（１２０、３２０）の限定的な軸方向運動を可能にする、請求項１記載の接線方向挿入式ダブテール組立体。
3. 前記ダブテール（１５０、３５０）及び前記ダブテールスロット（１４０、３４０）がほぼＴ形である、請求項１記載の接線方向挿入式ダブテール組立体。
4. 前記ダブテール（１５０、３５０）及び前記ダブテールスロット（１４０、３４０）の各々が複数のネック部及びショルダ部を含み、前記ダブテール接触面のペア（１４５、３４５）が複数のダブテール接触面のペア（１４５、３４５）を含み、前記ダブテールスロット接触面のペアが複数のダブテールスロット接触面のペア（１４５、３４５）を含む、請求項１記載の接線方向挿入式ダブテール組立体。
5. 前記ダブテール接触面のペア（１４５、３４５）が、前記ホイール（１１８、３１８）の外側表面（１１９、３１９）に対して凹面状及び凸面状のうちの一方であり、前記ダブテールスロット接触面のペア（１４５、３４５）が、前記ホイール（１１８、３１８）の外側表面（１１９、３１９）に対して凹面状及び凸面状のうちの他方である、請求項１記載の接線方向挿入式ダブテール組立体。
6. ターボ機械においてブレード（５２０）とロータホイール（５１８）とを接続するための直線軸方向挿入式ダブテール組立体であって、当該組立体が、
   ダブテール（５５０）及びダブテールスロット（５４０）のうちの一方を含むロータホイール（５１８）と、
   前記ダブテール（５５０）及び前記ダブテールスロット（５４０）のうちの他方を含むブレード（５２０）と
   を備えており、前記ダブテール（５５０）が、前記ブレード（５２０）を前記ロータホイール（５１８）に固定するため、軸方向で挿入されて前記ダブテールスロット（５４０）に嵌合可能に係合するよう構成され、前記ダブテール（５５０）が、嵌合可能に係合されたときに前記ダブテールスロット（５４０）に接触するダブテール接触面（５４５）のペアを含み、前記ダブテールスロット（５４０）が、嵌合可能に係合されたときに前記ダブテール接触面（５４５）に接触する対応するダブテールスロット接触面（５４５）のペアを含み、前記ダブテール接触面（５４５）のペア及び前記ダブテールスロット接触面（５４５）のペアが、共通の軸方向に延びる実質的に円筒形の円弧の一部に沿って位置する、直線軸方向挿入式ダブテール組立体。
7. 前記接触面（５４５）が、前記ホイール（５１８）に対して前記ブレード（５２０）の限定的な軸方向運動を可能にする、請求項６記載の直線軸方向挿入式ダブテール組立体。
8. 前記ダブテール接触面（５４５）のペアが、前記ホイール（５１８）の外側表面（５１９）に対して凹面状及び凸面状のうちの一方であり、前記ダブテールスロット接触面（５４５）のペアが、前記ホイール（５１８）の外側表面（５１９）に対して凹面状及び凸面状のうちの他方である、請求項６記載の直線軸方向挿入式ダブテール組立体。
9. ターボ機械においてブレード（６２０）とロータホイール（６１８）とを接続するための曲面状軸方向挿入式ダブテール（６５０）組立体であって、当該組立体が、
   ダブテール（６５０）及びダブテールスロット（６４０）のうちの一方を含むロータホイール（６１８）と、
   前記ダブテール（６５０）及び前記ダブテールスロット（６４０）のうちの他方を含むブレード（６２０）と
   を備えており、前記ダブテール（６５０）が、前記ブレード（６２０）を前記ロータホイール（６１８）に固定するため、曲面状軸方向で挿入されて前記ダブテールスロット（６４０）に嵌合可能に係合するよう構成され、前記ダブテール（６５０）が、嵌合可能に係合されたときに前記ダブテールスロット（６４０）に接触する少なくとも１つのダブテール接触面（６４５）を含み、前記ダブテールスロット（６４０）が、嵌合可能に係合されたときに前記少なくとも１つのダブテール接触面（６４５）に接触する対応する少なくとも１つのダブテールスロット接触面（６４５）を含み、前記少なくとも１つのダブテール接触面（６４５）及び前記少なくとも１つのダブテールスロット接触面（６４５）が、共通の実質的に円錐台の円弧の一部に沿って位置する、曲面状軸方向挿入式ダブテール（６５０）組立体。
10. 前記少なくとも１つのダブテール接触面（６４５）が、前記ダブテール（６５０）組立体の両側にダブテール接触面（６４５）のペアを含み、該ダブテール接触面（６４５）のペアが、対向する実質的に円錐台の円弧の一部に沿って位置し、前記対応する少なくとも１つのダブテールスロット接触面（６４５）が、前記ダブテール（６５０）組立体の両側にダブテールスロット接触面（６４５）のペアを含み、該ダブテールスロット接触面（６４５）のペアが、対向する実質的に円錐台の円弧の一部に沿って位置する、請求項９記載の曲面状軸方向挿入式ダブテール組立体。